EP1196246B1 - Freistrahlzentrifuge, insbesondere zur reinigung des schmieröls einer brennkraftmaschine - Google Patents

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EP1196246B1
EP1196246B1 EP00936891A EP00936891A EP1196246B1 EP 1196246 B1 EP1196246 B1 EP 1196246B1 EP 00936891 A EP00936891 A EP 00936891A EP 00936891 A EP00936891 A EP 00936891A EP 1196246 B1 EP1196246 B1 EP 1196246B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
centrifuge
bearing
free
housing
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP00936891A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1196246A1 (de
Inventor
Helmuth Fischer
Peter Frehland
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mann and Hummel GmbH
Original Assignee
Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Filterwerk Mann and Hummel GmbH filed Critical Filterwerk Mann and Hummel GmbH
Publication of EP1196246A1 publication Critical patent/EP1196246A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1196246B1 publication Critical patent/EP1196246B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B9/00—Drives specially designed for centrifuges; Arrangement or disposition of transmission gearing; Suspending or balancing rotary bowls
    • B04B9/08—Arrangement or disposition of transmission gearing ; Couplings; Brakes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B04—CENTRIFUGAL APPARATUS OR MACHINES FOR CARRYING-OUT PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES
    • B04B—CENTRIFUGES
    • B04B5/00—Other centrifuges
    • B04B5/005—Centrifugal separators or filters for fluid circulation systems, e.g. for lubricant oil circulation systems

Definitions

  • the invention relates to a free-jet centrifuge, the z. B. for cleaning lubricating oil can be used in an internal combustion engine, according to the preamble of claim 1.
  • the valve 40 closes, so that the Passage of the oil is prevented in the centrifuge rotor. Due to the bearing friction the plain bearing then comes to a standstill. The bearing friction is thereby increases that the centrifuge rotor on the lower axial stop in the housing lowers, whereby the bearing surface of the sliding bearing is increased.
  • GB-A-2 322 315 shows a free-jet centrifuge according to the preamble of the claim 1, in which only after switching off the liquid supply by lifting the Equilibrium of the axial forces braking the rotos by applying the rotor takes place at axial stops.
  • the invention has for its object to provide a centrifuge with a rotor, which at the same time by realization of high speeds a good centrifuging achieved result and after switching off has short follow-up times. This task is solved by the patent claim 1.
  • the free-jet centrifuge according to the invention consists in a known manner of a Rotor with an inlet and at least one drive nozzle, the same outlet is.
  • the deposition surface for the deposited suspended matter of the fluid can z. B. be formed by the rotor shell.
  • the housing serves to shield the Rotor over the environment. This is necessary as the jet of drive nozzles must be caught.
  • housing within the meaning of the invention is any type of shuttering, that protects the environment, to understand. It does not have a separate housing be provided for the centrifuge.
  • the centrifuge z. B. in cavities of an internal combustion engine, which to the oil circuit belongs.
  • the storage of the centrifuge rotor in the housing allows the same time Rotation and ensures a limitation of the axial play of the rotor.
  • a force source is provided in the free-jet centrifuge which on the one hand fixed in the housing of the centrifuge and their power development on the other hand acts on the rotor.
  • This power source can, for. B. from a coil spring consist whose ends are supported respectively on the rotor bearing and in the housing, with the spring under tension.
  • the force of the power source works against the axial forces that occur during rotor operation.
  • This provides a balance of power between the power source and the in-service Rotor on.
  • the rotor moves within its axial range of motion in the Position of the balance of forces, where it does not connect to any of the axial stops stands. This is a low-friction operation of the centrifuge at high speeds possible.
  • the power source simultaneously acts as a buffer for pressure fluctuations, which shift the balance of power, but not to a rubbing of the rotor on one of the axial stops.
  • the power source pushes the rotor to one of the axial stops. This creates a braking torque, which the Rotor can decelerate to a standstill. A long after-run is prevented whereby z. B. idle the engine no noise of the centrifuge can be heard.
  • the power source also has the positive effect that the bearing partners be kept under pretension. This is when turning the centrifuge prevents beating of the bearing due to their bearing clearance, which also can cause unpleasant noises. For the rest, this is the danger circumvented that damage caused by the bearing impact, the storage life shorten. This is especially when using bearings for storage of the rotor necessary. But bearings also benefit from the shortened ones Follow-up times. In this operating condition, namely, the lubrication of the bearing not completely guaranteed due to the low oil pressure. A long time Tracking would therefore lead to increased bearing wear.
  • the spring If, as described, the spring is used as a power source, then it unfolds a force which is dependent on the spring characteristic of the axial travel of the rotor in the housing.
  • This is a particularly simple embodiment that provides a self-regulating system for the free-jet centrifuge.
  • a condition is that the spring is designed such that the resulting amount of spring force is always less than or equal to the resulting by the rotor operation within the intended operating range amount of axial force.
  • the operating range is defined by the speed of the rotor and the oil pressure. Only when the operating range is left downwards, the spring force exceeds the axial force of the rotor, so that it is pressed against one of its axial stops and braked.
  • the run-up behavior of the rotor is ensured by the fact that with an increase in the oil pressure, this can solve again from the axial stop and is set in rotation. He then moves axially so long against the spring force until the described balance of forces has set again.
  • This self-regulating structure can of course also with other sources of power, eg. B. reach a pneumatic cylinder.
  • the invention consists in providing the power source with a foreign operation.
  • the force introduction of the power source can be controlled by any control mechanisms.
  • the power source can, for. B. consist of a hydraulic cylinder, which is controlled externally.
  • an electromechanical drive, for. B. a motor-gear combination conceivable.
  • the pressure cans frequently used in the motor vehicle sector also provide a sensible solution to the externally actuated drive of the power source.
  • the centrifuge With the help of external operation, the centrifuge can be braked down from any operating condition by activating the power source against the axial stop is pressed. Meaningful operating conditions in which a deceleration the rotor makes sense, on the one hand in the idle state already described, on the other hand, in the event that an insufficient supply of Internal combustion engine with lubricating oil threatens.
  • the centrifuge are turned off, so that the operation of the Centrifuge necessary secondary flow of oil directly available for lubrication stands. This function is otherwise through appropriate valves in the oil circuit guaranteed, which can be dispensed with in the described solution. hereby This results in an additional saving effect, which leads to a higher economic efficiency the solution leads or the extra work for the externally operated power source outweighs.
  • a particularly favorable embodiment results in a free-jet centrifuge, as Storage on one side has a plain bearing, which at the same time the inlet is. The lubrication is then carried out by the liquid introduced.
  • a second Bearing is a rolling bearing used, which leads to extremely low friction losses leads. This is completely outside of the liquid stream to be centrifuged appropriate.
  • the power source is between a support in the housing and clamped the rolling bearing, so that the rolling bearing is axially displaceable. With the Displacement of the bearing is moved simultaneously the centrifuge rotor. These Axial movement is permitted in plain bearings.
  • the rolling bearing z. B. with his Inner ring attached to the rotor while the power source on the outer ring attacks. This is independent of the operating condition of the centrifuge a clearance in the rolling bearing prevented.
  • An alternative way to brake the rotor is the realization a thrust reverser. This is achieved by actuating nozzles on the centrifuge rotor, which allow a drive opposite to the normal direction of rotation.
  • the nozzle heads of the centrifuge rotor can be made rotatable be so that the thrust reversal by rotation of the nozzles reach by 180 ° leaves.
  • Another possibility is the attachment of additional brake nozzles whose Spray direction is opposite to that of the drive nozzles.
  • the activation of the Nozzles can be controlled by the pressure present in the rotor.
  • a friction surface pair is provided, wherein one of the friction partners in Housing and the other is fixed to the rotor.
  • This friction surface pairing can as Brake can be used.
  • An advantageous possibility is the friction partners ring-shaped and in the area of one of the rotor lid surfaces and the housing accommodate. The function of this friction surface pair is with the already described Axial stop comparable to storage. The friction surface pair replaced exactly this axial stop in the camp, namely the one which the axial Movement tendency of the rotor is opposite in operation. Outside the intended Operating range of the rotor lowers this on the friction pairing and is thereby slowed down.
  • This process can be performed by a power source according to one of claims 1 to 5 are supported.
  • the effect can be synonymous achieve solely by acting on the centrifuge rotor gravity.
  • the rotor can be decelerated from any operating condition to a standstill. This gives rise to a possibility of the flow through the centrifuge to reduce a minimum, since the volume flow at the nozzles only at high Speeds due to the resulting dynamic pressures in the interior of the centrifuge significant amounts reached. At standstill, the volume flow through the narrow Nozzle bore negligible. This means that valves for actuation and Control of the centrifuge can be completely saved, with the leakage current is accepted by the nozzle opening at standstill of the rotor. By Saving the control valves, the economics of the centrifuge can be clearly increase.
  • a free-jet centrifuge according to FIG. 1 has a housing 10 in which a rotor 11 is rotatably mounted using a sliding bearing 12 and a rolling bearing 13.
  • the sliding bearing 12 allows axial displacement of the rotor, with a central tube 14 immersed in this camp.
  • An axial limitation in the direction of the sliding bearing is ensured by friction surfaces 15a, 15b.
  • the rolling bearing 13 is fixedly connected to a nozzle 16 on the centrifuge rotor. Of the Spigot extends into an inner ring 17 of the bearing.
  • the outer ring 19 of the rolling bearing is radially fixed in a receptacle 18 in the housing. In the axial direction is a displacement of the rolling bearing 13 is possible, this by a on a Outer ring 19 of the rolling bearing acting coil spring 20 is limited.
  • the feather has an abutment in a support 21 in the housing.
  • the rotor 11 by the spring 20 with the friction surface 15 a, which at a Cover surface 22 of the rotor is mounted on the housed in the housing Friction surface 15b pressed. If the oil pressure in an inlet 23 increases, the rotor acts like a hydraulic cylinder and rises in the sliding bearing 12 as soon as the oil pressure resulting force exceeds the spring force.
  • the oil passes through the central tube 14 in a separation chamber 24, from there into nozzle channels 25 and is driven by drive nozzles 26 injected into the housing, from where it drains through an outlet 27.
  • the Drive nozzles cause the rotor 11 to rotate, causing the oil to be in the oil Suspended matter 28 are deposited on the deposition surfaces 29 of the rotor.
  • this axial position is located above the through the friction surfaces 15a and 15b formed axial stop.
  • the axial force on the rotor becomes mainly determined by the voltage applied to the inlet 23 oil pressure. It sinks below a certain one Value that defines the lower limit of the operating range leads to the Spring force of the spring 20 to a lowering of the rotor such that the friction surfaces 15a, 15b and the rotor is braked to a standstill.
  • FIG. 2 shows an alternative possibility of arranging friction surface pairs.
  • the Reib lakefish must not necessarily made especially for this on the Parts of the centrifuge attached materials exist. It is also possible to use the material of housing 10 and rotor 11 itself. Furthermore you can Friction surfaces 15 c, 15 d are housed in the region of the sliding bearing. These form in the manner described, the axial stop, wherein the friction surfaces to a sudden Increase in friction in the bearing lead, as soon as the axial stop in the rotor with the friction surfaces come into contact.
  • Figure 3 shows a variant for the rolling bearing of the rotor without an additional Power source.
  • the rolling bearing 19 is fixedly mounted in the housing 10.
  • the nozzle 16 of the Rotor 11 is axially displaceable in the inner ring 17 of the rolling bearing, wherein a shoulder 30th limits the axial movement.
  • According to the principle with power source acts on The rotor 11 acting gravity as restoring force, which in described Mode is in equilibrium with the axial forces acting on the rotor.
  • FIG. 4 shows a centrifuge consisting of the rotor 11 and the housing 10, shown.
  • the inlet 23 and the outlet 27 can be seen.
  • the rotor is equipped with a brake nozzle 31.
  • the nozzle channels 25 are equipped with valves 32 which are provided with a pressure actuator 33. The pressure actuation switches the valves such that below the operating pressure range the brake nozzle 31 is released and within the operating pressure range the drive nozzle 26 is unlocked. If the pressure drops z. B. at idle Motor so far that the operating pressure is exited, a switching of the Valves to the fact that the brake nozzle is activated.
  • FIG. 5 shows a centrifuge in the illustration corresponding to FIG. 4 Brake nozzle 31, however, a brake band 34 is provided which by a schematic illustrated pneumatic cylinder 35, the z. B. also by a vacuum box can be formed, is externally operated.
  • a brake band 34 is pressed against an outer wall 36 of the rotor. This creates a braking torque which depends on the pneumatic cylinder applied pressure is.
  • the pneumatic cylinder is activated by an actuating valve 37, which communicates with a pressure accumulator 38.
  • a control unit 39 is provided, depending on the parameters such as speed n and oil pressure p of a motor 40, the switching signal s to an actuating valve 37 passes.
  • the Stop the centrifuge from any operating condition.
  • the drive nozzle 26 The stationary centrifuge acts as a throttle, so that a valve for the supply the centrifuge with oil is not necessary.

Landscapes

  • Centrifugal Separators (AREA)
  • Lubrication Details And Ventilation Of Internal Combustion Engines (AREA)
  • Lubricants (AREA)
  • Braking Arrangements (AREA)
  • Sliding-Contact Bearings (AREA)

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Freistrahlzentrifuge, die z. B. zur Reinigung von Schmieröl in einer Brennkraftmaschine verwendet werden kann, nach der Gattung des Patentanspruches 1.
Derartige Freistrahlzentrifugen sind bekannt. Gemäß der DE 296 09 980 U1 wird ein Rotor einer Zentrifuge vorgeschlagen, dessen Herstellung tauglich für große Serien ist. Dieser besteht aus mehreren Blechtöpfen, die durch Umbördeln miteinander verbunden sind (vergl. hierzu Figur 1 der erwähnten Schrift). Dieser Verband weist ein Mittelrohr 30 auf, in welches Buchsen 31, 32 eingepreßt sind. Diese dienen zur drehbaren Lagerung des Zentrifugenrotors auf einer Gehäusewelle 16 sowie zur Begrenzung des Axialspiels des Rotors im Einbauraum. Während des Betriebs kann der Rotor zwischen den Axialbegrenzungen des Gehäuses pendeln, wobei er durch den anliegenden Öldruck sowie evtl. eine Schrägstellung der Düsen 28 nach unten die Tendenz besitzt, im Gehäuse zu steigen.
Bei Unterschreitung eines definierten Öldrucks schließt sich das Ventil 40, so daß die Durchleitung des Öls im Zentrifugenrotor unterbunden wird. Aufgrund der Lagerreibung der Gleitlager kommt der Rotor dann zum Stillstand. Die Lagerreibung wird dadurch erhöht, daß sich der Zentrifugenrotor auf den unteren Axialanschlag im Gehäuse absenkt, wodurch die Lagerfläche des Gleitlagers erhöht wird.
Trotz der Verwendung von integrierten Bauteilen, wie z. B. Druckventil 40, weist die beschriebene Baugruppe des Rotors eine hohe Komplexität auf. Dadurch wird eine wirtschaftliche Herstellung erschwert. Insbesondere ist die Axiallage des Rotors während des Betriebs nicht genau definiert. Plötzliche Druckschwankungen können z. B. auch während des Betriebs zu einem Anschlagen des Rotors an einen der Axialanschläge führen. Deswegen müssen diese mit ähnlich günstigen Gleiteigenschaften ausgestattet sein, wie der Radialbereich der Gleitlager.
Ein weiteres Problem besteht in der Beeinflussung des Nachlaufverhaltens der Zentrifuge, sobald die Ölzufuhr unterbrochen wird. In diesem Fall soll die Zentrifuge möglichst schnell zum Stillstand kommen. Die kinetische Energie des Rotors wird dabei über die Lagerreibung abgebaut Um möglichst hohe Drehzahlen zu erreichen, soll die Lagerreibung jedoch sehr gering sein. Je mehr eine Verringerung der Lagerreibung also gelingt, desto länger läuft die Zentrifuge nach.
Die GB-A-2 322 315 zeigt eine Freistrahlzentrifuge gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei der nur nach Abschalten der Flüssigkeitszufuhr durch Aufhebung des Gleichgewichts der Axialkräfte ein Abbremsen des Rotos durch Anlegen des Rotors an Axialanschläge erfolgt.
Auch hier besteht das Problem in der Beeinflussung des Nachlaufverhaltens der Zentrifuge, sobald die Flüssigkeitszufuhr unterbrochen ist.
Werden Ölzentrifugen im PKW-Bereich verwendet, so werden jedoch an die Laufkultur des Motors besondere Anforderungen gestellt. Gleichzeitig führen häufige Lastwechsel, z. B. bei der Verwendung des PKW in Ballungszentren, zu einem ständigen Ein- und Abschalten der Zentrifuge. Im Leerlauf der Brennkraftmaschine kann ein langes Nachlaufen des Zentrifugenrotors wegen der Geräuschentwicklung nicht hingenommen werden, da diese das in diesem Betriebszustand leise Motorgeräusch übertönt und von dem Fahrer als störend wahrgenommen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zentrifuge mit einem Rotor zu schaffen, welcher gleichzeitig durch Realisierung hoher Drehzahlen ein gutes Zentrifugier ergebnis erzielt und nach dem Abschalten kurze Nachlaufzeiten besitzt. Diese Aufgabe wird durch den Patentanspruch 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Freistrahlzentrifuge besteht in bekannter Weise aus einem Rotor mit einem Einlaß und mindestens einer Antriebsdüse, die gleichzeitig Auslaß ist. Die Ablagerungsfläche für die abgeschiedenen Schwebstoffe des Fluids können z. B. durch den Rotormantel gebildet sein. Das Gehäuse dient zur Abschirmung des Rotors gegenüber der Umgebung. Dies ist nötig, da der Strahl der Antriebsdüsen aufgefangen werden muß. Als Gehäuse im Sinne der Erfindung ist jede Art von Verschalung, die die Umgebung schützt, zu verstehen. Es muß kein gesondertes Gehäuse für die Zentrifuge vorgesehen werden. Ebenso ist es denkbar, die Zentrifuge z. B. in Hohlräume einer Brennkraftmaschine einzubauen, welche zum Ölkreislauf gehört. Die Lagerung des Zentrifugenrotors im Gehäuse ermöglicht gleichzeitig dessen Drehung und sorgt für eine Begrenzung des Axialspiels des Rotors.
Erfindungsgemäß wird in der Freistrahlzentrifuge eine Kraftquelle vorgesehen, die einerseits ortsfest im Gehäuse der Zentrifuge befestigt ist und deren Kraftentfaltung andererseits auf den Rotor wirkt. Diese Kraftquelle kann z. B. aus einer Schraubenfeder bestehen, deren Enden sich jeweils an der Rotorlagerung und im Gehäuse abstützen, wobei die Feder unter Vorspannung steht. Die Kraft der Kraftquelle wirkt entgegen der Axialkräfte, die während des Rotorbetriebs entstehen. Dadurch stellt sich ein Kräftegleichgewicht zwischen Kraftquelle und dem im Betrieb befindlichen Rotor ein. Der Rotor wandert im Rahmen seines axialen Bewegungsspielraums in die Position des Kräftegleichgewichts, wobei er zu keinem der Axialanschläge in Verbindung steht. Hierdurch ist ein reibungsarmer Betrieb der Zentrifuge bei hohen Drehzahlen möglich. Die Kraftquelle wirkt gleichzeitig als Puffer bei Druckschwankungen, die das Kräftegleichgewicht verschieben, jedoch nicht zu einem Reiben des Rotors an einem der Axialanschläge führen.
Sobald der Öldruck unter einen bestimmten Wert fällt, drückt die Kraftquelle den Rotor an einen der Axialanschläge. Hierdurch entsteht ein Bremsmoment, welches den Rotor bis zum Stillstand abzubremsen vermag. Ein langes Nachlaufen wird verhindert, wodurch z. B. im Leerlauf der Brennkraftmaschine keine Laufgeräusch der Zentrifuge zu hören ist. Die Kraftquelle hat weiterhin den positiven Effekt, daß die Lagerpartner unter Vorspannung gehalten werden. Damit wird beim Nachdrehen der Zentrifuge ein Schlagen der Lager aufgrund ihres Lagerspiels verhindert, welches ebenfalls unangenehme Geräusche hervorrufen kann. Im übrigen wird dabei die Gefahr umgangen, daß durch das Lagerschlagen Beschädigungen auftreten, die die Lagerstandzeiten verkürzen. Dies ist besonders bei Verwendung von Wälzlagern zur Lagerung des Rotors notwendig. Aber auch Gleitlager profitieren von den verkürzten Nachlaufzeiten. In diesem Betriebszustand ist nämlich die Schmierung des Lagers aufgrund des geringen Öldruckes nicht mehr vollständig gewährleistet. Ein langes Nachlaufen würde also zu einem erhöhten Lagerverschleiß führen.
Im Normalfall wird die Fremdunterstützung durch die Kraftquelle in Richtung der Schwerkraft wirken. Dies hängt mit der typischen Einbaulage von Ölzentrifugen zusammen. Die Schwerkraft ist bei Zentrifugen gemäß dem Stand der Technik die nötige Gegenkraft für die im Rotorbetrieb entstehenden Axialkräfte. Durch Verwendung der beschriebenen Kraftquelle ist jedoch die Notwendigkeit einer vertikalen Einbaulage unter Ausnutzung der Schwerkraft des Rotors nicht mehr notwendig. Diese kann vollständig durch die Kraftquelle ersetzt werden, wodurch auch z. B. ein Einbau des Rotors mit horizontaler Drehachse möglich wird. Dies erlaubt einen größeren Gestaltungsfreiraum bei der Verwendung der Freistrahlzentrifuge z. B. in einer Brennkraftmaschine.
Wird wie beschrieben die Feder als Kraftquelle verwendet, so entfaltet diese eine Kraft, die entsprechend der Federkennlinie von dem Axialweg des Rotors im Gehäuse abhängig ist. Dies ist eine besonders einfache Ausführungsform, die ein selbst regelndes System für die Freistrahlzentrifuge schafft. Hierzu ist jedoch Voraussetzung, daß die Feder derart ausgelegt wird, daß der entstehende Betrag der Federkraft immer kleiner oder gleich dem durch den Rotorbetrieb innerhalb des vorgesehenen Betriebsbereichs entstehenden Betrag der Axialkraft ist. Der Betriebsbereich ist durch die Drehzahl des Rotors und den Öldruck definiert. Erst wenn der Betriebsbereich nach unten hin verlassen wird, übersteigt die Federkraft die Axialkraft des Rotors, so daß dieser an einen seiner Axialanschläge angedrückt und gebremst wird. Das Hochlaufverhalten des Rotors wird dadurch gewährleistet, daß bei einer Erhöhung des Öldruckes sich dieser wieder vom Axialanschlag lösen kann und in Drehung versetzt wird. Er bewegt sich dann so lange entgegen der Federkraft axial, bis sich wieder das beschriebene Kräftegleichgewicht eingestellt hat. Dieser selbstregelnde Aufbau läßt sich selbstverständlich auch mit anderen Kraftquellen, z. B. einem Pneumatikzylinder erreichen.
Die Erfindung besteht darin, die Kraftquelle mit einer Fremdbetätigung zu versehen. Dadurch läßt sich die Krafteinleitung der Kraftquelle durch beliebige Regelmechanismen steuern. Die Kraftquelle kann z. B. aus einem Hydraulikzylinder bestehen, der fremd angesteuert wird. Alternativ ist ein elektromechanischer Antrieb, z. B. eine Motor-Getriebe-Kombination denkbar. Auch die im Kraftfahrzeugbereich häufig zur Anwendung kommenden Druckdosen ergeben eine sinnvolle Lösung zum fremdbetätigten Antrieb der Kraftquelle.
Mit Hilfe der Fremdbetätigung kann die Zentrifuge aus jedem Betriebszustand heruntergebremst werden, indem sie durch Aktivierung der Kraftquelle gegen den Axialanschlag gedrückt wird. Sinnvolle Betriebszustände, bei denen eine Abbremsung des Rotors sinnvoll ist, ergeben sich zum einen im bereits beschriebenen Leerlaufzustand, zum anderen aber für den Fall, daß eine unzureichende Versorgung der Brennkraftmaschine mit Schmieröl droht. In diesem Fall kann durch die fremdbetätigte Kraftquelle die Zentrifuge abgeschaltet werden, so daß der zum Betrieb der Zentrifuge notwendige Nebenstrom des Öls direkt zur Schmierung zur Verfügung steht. Diese Funktion wird ansonsten durch entsprechende Ventile im Ölkreislauf gewährleistet, auf die bei der beschriebenen Lösung verzichtet werden kann. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher Einsparungseffekt, der zu einer höheren Wirtschaftlichkeit der Lösung führt bzw. den Mehraufwand für die fremdbetätigte Kraftquelle aufwiegt.
Eine besonders günstige Ausführungsform ergibt eine Freistrahlzentrifuge, die als Lagerungsmittel auf einer Seite ein Gleitlager aufweist, welches gleichzeitig der Einlaß ist. Die Schmierung erfolgt dann durch die eingeleitete Flüssigkeit. Als zweites Lager kommt ein Wälzlager zum Einsatz, welches zu äußerst geringen Reibungsverlusten führt. Dieses ist komplett außerhalb des zu zentrifugierenden Flüssigkeitsstroms angebracht. Die Kraftquelle ist zwischen einer Abstützung im Gehäuse und dem Wälzlager eingespannt, so daß das Wälzlager axial verschiebbar ist. Mit der Verschiebung des Wälzlagers wird gleichzeitig der Zentrifugenrotor bewegt. Diese Axialbewegung wird im Gleitlager zugelassen. Das Wälzlager kann z. B. mit seinem Innenring am Rotor befestigt sein, während die Kraftquelle am Außenring angreift. Damit wird unabhängig vom Betriebszustand der Zentrifuge ein Lagerspiel im Wälzlager unterbunden.
Eine alternative Möglichkeit zur Abbremsung des Rotors besteht in der Realisierung einer Schubumkehr. Diese wird erreicht durch Betätigung von Düsen am Zentrifugenrotor, die einen Antrieb entgegengesetzt der normalen Drehrichtung ermöglichen. Zu diesem Zweck können die Düsenköpfe des Zentrifugenrotors drehbar ausgeführt sein, so daß sich die Schubumkehr durch Drehung der Düsen um 180 ° erreichen läßt. Eine andere Möglichkeit ist die Anbringung von zusätzlichen Bremsdüsen, deren Spritzrichtung entgegen derjenigen der Antriebsdüsen liegt. Die Ansteuerung der Düsen kann durch den im Rotor vorliegenden Druck gesteuert werden.
Eine weitere alternative Möglichkeit sieht vor, daß außerhalb der Lagerungsmittel ein Reibflächenpaar vorgesehen ist, wobei einer der Reibpartner im Gehäuse und der andere am Rotor fixiert ist. Diese Reibflächenpaarung kann als Bremse genutzt werden. Eine vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, die Reibpartner ringförmig auszugestalten und im Bereich einer der Rotordeckelflächen und dem Gehäuse unterzubringen. Die Funktion dieses Reibflächenpaars ist mit dem bereits beschriebenen Axialanschlag der Lagerung vergleichbar. Das Reibflächenpaar ersetzt genau diesen Axialanschlag im Lager, und zwar denjenigen, welcher der axialen Bewegungstendenz des Rotors im Betrieb entgegengesetzt ist. Außerhalb des vorgesehenen Betriebsbereiches des Rotors senkt sich dieser auf die Reibpaarung ab und wird dadurch abgebremst. Dieser Vorgang kann durch eine Kraftquelle gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 unterstützt werden. Alternativ läßt sich der Effekt auch allein durch die auf den Zentrifugenrotor wirkende Schwerkraft erzielen.
Durch die Entkopplung der Brems- und Lagerfunktion läßt sich für beide Aufgaben die ideale Werkstoffpaarung auswählen. Dabei kann bei der Gestaltung des Lagers auf eine Minimierung der Reibungsverluste und bei der Wahl der Reibpaarung zur Abbremsung auf eine Maximierung des Bremsmomentes geachtet werden. Außerdem lassen sich die Reibpartner in der Nähe des Außenumfangs des Rotors unterbringen, wodurch das Bremsmoment durch deren geometrische Anordnung zusätzlich gesteigert wird. Für die Reibpaarung zur Bremsung des Rotors lassen sich insbesondere folgende Werkstoffe auswählen. Werkstoff des einen Reibpartners: PA. (evtl. glasfaserverstärkt), POM, PTFE. Anderer Reibpartner: PA, POM, PTFE sowie Bronze-, Stahl- und Aluminiumlegierungen.
Eine weitere alternative Möglichkeit ist die Anordnung eines Bremsbandes im Gehäuse, welches z. B. mit der Mantelfläche des Rotors zusammenwirken kann. Durch Anziehen des Bremsbandes kann der beschriebene Bremseffekt erzielt werden.
Durch Vorsehen der beschriebenen Mittel zur Abbremsung des Rotors, seien es zusätzliche Reibpaare oder Kraftquellen zur Verstärkung der Reibung in der Lagern, läßt sich der Rotor aus jedem beliebigen Betriebszustand bis zum Stillstand abbremsen. Hierdurch ergibt sich eine Möglichkeit, den Durchfluß durch die Zentrifuge auf ein Minimum zu reduzieren, da der Volumenstrom an den Düsen nur bei hohen Drehzahlen durch die entstehenden dynamischen Drücke im Innenraum der Zentrifuge nennenswerte Beträge erreicht. Im Stillstand ist der Volumenstrom durch die enge Düsenbohrung vernachlässigbar. Dies bedeutet, daß Ventile zur Betätigung und Steuerung der Zentrifuge vollständig eingespart werden können, wobei der Leckagestrom durch die Düsenöffnung bei Stillstand des Rotors hingenommen wird. Durch Einsparung der Steuerventile läßt sich die Wirtschaftlichkeit der Zentrifuge deutlich erhöhen.
Zeichnung
Weitere Einzelheiten von verschiedenen vorbekannten Freistrahlzentrifugen werden in den Zeichnungen anhand von schematischen Ausführungsbeispielen beschrieben. Hierbei zeigt
Figur 1
den Querschnitt durch eine Freistrahlzentrifuge mit Gehäuse und Rotor,
Figur 2
das Detail X aus Figur 1,
Figur 3
das Detail Y aus Figur 1,
Figur 4
den schematischen Querschnitt einer Zentrifuge, wobei die Darstellung der Perspektive A - A gemäß Figur 1 folgt und eine zusätzliche Bremsdüse am Umfang vorgesehen ist und
Figur 5
den Querschnitt einer Zentrifuge mit Bremsband, welches unter Auswertung diverser Motorparameter fremdbetätigt ist.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Eine Freistrahlzentrifuge gemäß Figur 1 besitzt ein Gehäuse 10, in dem ein Rotor 11 unter Verwendung eines Gleitlagers 12 und eines Wälzlagers 13 drehbar gelagert ist. Das Gleitlager 12 erlaubt eine axiale Verschiebung des Rotors, der mit einem Mittelrohr 14 in dieses Lager eintaucht. Eine Axialbegrenzung in Richtung des Gleitlagers ist durch Reibflächen 15a, 15b gewährleistet.
Das Wälzlager 13 ist fest mit einem Stutzen 16 am Zentrifugenrotor verbunden. Der Stutzen reicht in einen Innenring 17 des Wälzlagers. Der Außenring 19 des Wälzlagers ist in einer Aufnahme 18 im Gehäuse radial festgelegt. In axialer Richtung ist eine Verschiebung des Wälzlagers 13 möglich, wobei diese durch eine auf einen Außenring 19 des Wälzlagers wirkende Schraubenfeder 20 begrenzt wird. Die Feder hat ein Widerlager in einer Abstützung 21 im Gehäuse.
Im Stillstand wird der Rotor 11 durch die Feder 20 mit der Reibfläche 15a, die an einer Deckelfläche 22 des Rotors angebracht ist, auf die im Gehäuse untergebrachte Reibfläche 15b gedrückt. Steigt der Öldruck in einem Einlaß 23 an, so wirkt der Rotor wie ein Hydraulikzylinder und steigt in dem Gleitlager 12, sobald die aus dem Öldruck resultierende Kraft die Federkraft übersteigt. Das Öl gelangt durch das Mittelrohr 14 in einen Abscheideraum 24, von dort in Düsenkanäle 25 und wird durch Antriebsdüsen 26 in das Gehäuse gespritzt, von wo aus es durch einen Auslaß 27 abläuft. Die Antriebsdüsen versetzen den Rotor 11 in Drehbewegung, wodurch die im Öl befindlichen Schwebstoffe 28 an den Ablagerungsflächen 29 des Rotors abgeschieden werden.
Zwischen der Federkraft der Feder 20 und den am Rotor 11 wirkenden Axialkräften stellt sich ein Gleichgewicht ein, von dem die axiale Lage des Rotors abhängt. Im Betriebsbereich befindet sich diese axiale Lage oberhalb des durch die Reibflächen 15a und 15b gebildeten Axialanschlags. Die Axialkraft am Rotor wird hauptsächlich durch den am Einlaß 23 anliegenden Öldruck bestimmt. Sinkt dieser unter einen bestimmten Wert, der die untere Grenze des Betriebsbereiches definiert, so führt die Federkraft der Feder 20 zu einer Absenkung des Rotors derart, daß sich die Reibflächen 15a, 15b berühren und der Rotor bis zum Stillstand abgebremst wird.
Figur 2 zeigt eine alternative Möglichkeiten der Anordnung von Reibflächenpaaren. Das Reibflächenpaar muß nicht notwendigerweise aus besonders hierfür auf den Teilen der Zentrifuge angebrachten Werkstoffen bestehen. Es ist ebenso möglich, den Werkstoff von Gehäuse 10 und Rotor 11 selbst zu verwenden. Weiterhin können Reibflächen 15c, 15d im Bereich des Gleitlagers untergebracht werden. Diese bilden in beschriebener Weise den Axialanschlag, wobei die Reibflächen zu einem schlagartigen Anstieg der Reibung im Lager führen, sobald der Axialanschlag im Rotor mit den Reibflächen in Berührung kommt.
Figur 3 zeigt eine Variante für die Wälzlagerung des Rotors ohne eine zusätzliche Kraftquelle. Das Wälzlager 19 ist fest im Gehäuse 10 montiert. Der Stutzen 16 des Rotors 11 ist im Innenring 17 des Wälzlagers axial verschiebbar, wobei ein Absatz 30 die Axialbewegung begrenzt. Entsprechend dem Prinzip mit Kraftquelle wirkt die auf den Rotor 11 wirkende Schwerkraft als Rückstellkraft, wobei diese in beschriebener Weise mit den am Rotor wirkenden Axialkräften im Gleichgewicht steht.
In Figur 4 ist eine Zentrifuge, bestehend aus dem Rotor 11 und dem Gehäuse 10, dargestellt. Außerdem ist der Einlaß 23 und der Auslaß 27 zu erkennen. Neben der Antriebsdüse 26 ist der Rotor mit einer Bremsdüse 31 ausgestattet. Die Düsenkanäle 25 sind mit Ventilen 32 ausgestattet, die mit einer Druckbetätigung 33 versehen sind. Die Druckbetätigung schaltet die Ventile derart, daß unterhalb des Betriebsdruckbereiches die Bremsdüse 31 freigeschaltet ist und innerhalb des Betriebsdruckbereiches die Antriebsdüse 26 freigeschaltet ist. Sinkt der Druck z. B. im Leerlauf des Motors so weit ab, daß der Betriebsdruck verlassen wird, führt ein Umschalten der Ventile dazu, daß die Bremsdüse aktiviert wird. Obwohl der Druck am Eingang 23 bereits stark abgesunken ist, führt der dynamische Druck aufgrund der hohen Drehzahl im Düsenausgang 31 zu einem starken Impuls, der ein Bremsmoment auf den Rotor ausübt. Hierdurch wird dieser abgebremst. Die Drehrichtung der Zentrifuge ist durch einen Pfeil gekennzeichnet.
Figur 5 zeigt eine Zentrifuge in der Darstellung entsprechend Figur 4. Anstelle der Bremsdüse 31 ist jedoch ein Bremsband 34 vorgesehen, welches durch einen schematisch dargestellten Pneumatikzylinder 35, der z. B. auch durch eine Unterdruckdose gebildet werden kann, fremdbetätigt wird. Durch Betätigung des Pneumatikzylinders 35 wird das Bremsband 34 an eine Außenwand 36 des Rotors angedrückt. Hierdurch entsteht ein Bremsmoment, welches abhängig vom an den Pneumatikzylinder angelegten Druck ist. Der Pneumatikzylinder wird durch ein Betätigungsventil 37 angesteuert, welches mit einem Druckspeicher 38 in Verbindung steht. Zur Schaltung des Betätigungsventils ist eine Kontrolleinheit 39 vorgesehen, die in Abhängigkeit der Parameter wie Drehzahl n und Öldruck p eines Motors 40 das Schaltsignal s an ein Betätigungsventil 37 weitergibt. Durch diese Anordnung läßt sich die Zentrifuge aus jedem Betriebszustand zum Stillstand bringen. Die Antriebsdüse 26 der stillstehenden Zentrifuge wirkt als Drossel, so daß ein Ventil für die Versorgung der Zentrifuge mit Öl nicht notwendig ist.

Claims (5)

  1. Freistrahlzentrifuge, insbesondere zur Reinigung des Schmieröls einer Brennkraftmaschine, welche
    einen Rotor (11) mit einem Einlass (23) und mindestens einer Antriebsdüse (26) als Auslass und einer Ablagerungsfläche (29) im Inneren des Rotors,
    ein Gehäuse (10) zur Abschirmung des Rotors gegenüber der Umgebung,
    Lagerungsmittel zur drehbaren Lagerung und zur Begrenzung des Axialspiels des Rotors (11) im Gehäuse (10)
    aufweist, wobei eine ortsfeste, fremdbetätigte Kraftquelle an der Freistrahlzentrifuge vorgesehen ist, deren Kraftentfaltung auf den Rotor in axialer Richtung den durch den Rotorbetrieb entstehenden Axialkräften entgegengerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftquelle so dimensioniert ist, dass die Zentrifuge aus jedem Betriebszustand herunter gebremst werden kann, indem sie durch Aktivierung der Kraftquelle gegen die Axialspielbegrenzung gedrückt wird.
  2. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 1, wobei eines der Lagerungsmittel aus einem Gleitlager (12) besteht, welches gleichzeitig den Einlass (23) bildet und ein anderes Lagerungsmittel aus einem Wälzlager (13) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftquelle zwischen einer Abstützung (21) im Gehäuse und dem Wälzlager eingespannt ist, wobei das Wälzlager axial verschiebbar in einer Aufnahme (18) im Gehäuse montiert ist.
  3. Freistrahlzentrifuge nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftquelle eine Schraubenfeder (20) ist.
  4. Freistrahlzentrifuge nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb der Lagerungsmittel ein Reibflächenpaar (15a, 15b) vorgesehen ist, wobei einer der Reibpartner im Gehäuse und der andere am Rotor fixiert ist.
  5. Freistrahlzentrifuge nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibpartner ringförmig ausgeführt sind, wobei diese derart jeweils außen auf einer der Deckelflächen (22) des Rotors und im gegenüberliegenden Gehäuseabschnitt angebracht sind, dass sie das Axialspiel des Rotors in diejenige Richtung begrenzen, die der axialen Bewegungstendenz des Rotors im Betrieb entgegengesetzt ist.
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