ITRM20100194A1 - Dispositivo inerziale per la separazione dei vapori d'olio dai gas di spurgo di motori alternativi a combustione interna. - Google Patents

Description

Dispositivo inerziale per la separazione dei vapori d’olio dai gas di spurgo di motori alternativi a combustione interna

La presente invenzione riguarda un dispositivo inerziale per la separazione dei vapori d’olio dai gas di spurgo di motori alternativi a combustione interna.

Più dettagliatamente l’invenzione riguarda un dispositivo del tipo detto, per la separazione dell’olio presente in forma liquida o in forma di vapore nei gas provenienti dalla coppa dei motori alternativi a combustione interna. Nella descrizione che segue, ai predetti gas verrà fatto riferimento con il termine portata dei gas di spurgo, oppure portata di blow-by, dalla coppa motore.

Com’à ̈ ben noto, durante il funzionamento del motore, la pressione all’interno dei cilindri, conseguente al processo di compressione e di combustione, favorisce una portata di trafilamento dei gas attraverso i segmenti elastici di tenuta montati sui pistoni. Tale portata à ̈ rappresentata prevalentemente da gas esausti che hanno subito il processo di combustione. Nell’attraversamento dei segmenti elastici, tali gas trascinano frazioni significative di idrocarburi incombusti, frutto della combustione incompleta e del dilavamento dei vapori e delle goccioline di olio, nonché della miscela fresca intrappolati all’interno dei giochi tra il pistone ed il cilindro e negli interstizi al disopra del primo segmento elastico di tenuta. A causa dell’elevata temperatura presente, la portata di gas che trafila favorisce anche una degradazione del film di olio che aderisce sulla superficie interna del cilindro, favorendone complesse trasformazioni di cracking.

All’interno della coppa del motore, tale miscela di gas si mescola ai vapori di olio ivi presenti e formatisi per effetto dell’evaporazione dovuta all’elevata temperatura e si arricchiscono di componenti chimiche riconducibili in modo generico ad idrocarburi di media/semplice aggregazione molecolare.

Infine, lo sviluppo di processi di cracking termico favorisce la presenza, all’interno della miscela conseguente, di particolato solido di dimensioni molto ridotte, in un campo di dimensioni compreso tra decimi di micron e qualche micron. Tali particelle fungono da nuclei di aggregazione per altre specie, difficilmente o per niente combustibili, presenti in camera di combustione, aggravando il fenomeno dell’emissione di particolati allo scarico.

Onde evitare pressurizzazioni all’interno della coppa motore, in considerazione anche del fatto che l’elevata temperatura ed il moto delle manovelle e delle bielle del motore favoriscono la formazione di vapori di olio (per sbattimento e per vaporizzazione parziale), à ̈ necessario che detta portata di gas venga allontanata dalla coppa del motore stesso, in modo da mantenere all’interno di essa un livello di pressione contenuto. Nelle applicazioni che fanno riferimento a motori di grandi dimensioni, per applicazioni connesse al trasporto merci o carichi pesanti o per motori industriali, tali portate possono essere dell’ordine di centinaia di litri al minuto.

È pratica ormai comune ricircolare tale portata all’interno del motore stesso, re-immettendo tali gas sul condotto di aspirazione. Tale pratica consente in primo luogo di recuperare le frazioni combustibili presenti nel gas e quindi recuperare parte del potere calorifico inferiore del combustibile (si tratta di composti risultanti da ossidazioni parziali del combustibile che, attraverso meccanismi complessi, vanno a contribuire alle emissioni di idrocarburi incombusti). Inoltre, favorisce il ricircolo di frazioni di gas che possono essere genericamente definiti “di scarico†o che hanno subito un parziale ma significativo processo di combustione; tale ricircolo può contribuire alla moderazione locale delle temperature più elevate in camera di combustione ed alla diminuzione delle concentrazioni locali di azoto e di ossigeno sui siti di reazione, con il beneficio di inibire i meccanismi di formazione dei composti NOx, parimenti a quanto effettuato dalla tecnica specifica di ricircolo dei gas di scarico. Ancora, trattandosi di frazioni parzialmente combustibili, il loro ricircolo permette di farli partecipare al processo di combustione che avviene nel motore. Infine, il ricircolo permette di recuperare l’olio di lubrificazione presente nel gas di blow-by, in questo modo procrastinando il suo reintegro o la sua sostituzione.

A tali benefici effetti, fanno però riscontro degli inconvenienti, in particolare connessi con la variazione del rapporto aria combustibile impostato dalla centralina di iniezione, ma anche con la criticità nel funzionamento dei sistemi di abbattimento delle specie inquinanti. Non solo, un ulteriore problema à ̈ dovuto alla presenza negli oli lubrificanti di composti molecolari complessi, di difficile disaggregazione termica e anche caratterizzati da specie inerti (elementi metallici) che intensificano le capacità lubrificanti. Tali specie, che non riescono ad essere combuste, si aggregano in composti che, in corrispondenza dello scarico, si depositano sulle palettature della turbina di sovralimentazione e sui condotti fissi, peggiorando le prestazioni del sovralimentatore e provocando conseguenti diminuzioni delle prestazione del motore termico. Tali composti, inoltre, intasando i catalizzatori, ne modificano l’efficienza di abbattimento con gli svantaggi conseguenti. Ancora, il ricircolo in camera di combustione può comportare il consumo dell’olio lubrificante, che può assumere valori significativi, considerato che nei motori di grandi dimensioni le portate di olio possono essere anche di decine di grammi/ora. Inoltre,il ricircolo può comportare un aumento delle emissioni di specie inquinanti, soprattutto quelle connesse agli idrocarburi incombusti. Tali emissioni possono essere riferite anche a quelle non ancora regolamentate (ad esempio idrocarburi policiclici aromatici, aldeidi, chetoni). Considerando che tali oli contengono anche sostanze metalliche, che ne aumentano le prestazioni lubrificanti, il problema delle emissioni non regolamentate appare ulteriormente complicato. Infine, la presenza di olio allo stato vapore e liquido all’interno della camera di combustione rende il processo di combustione meno controllabile. In talune condizioni transitorie, le quantità di olio possono essere talmente significative da determinare un’instabilità di combustione.

Per tali ragioni, à ̈ opportuno che le frazioni di olio, liquide ed in fase vapore, vengano separate dai gas e recuperate all’interno della coppa del motore, reinserendo nel condotto di aspirazione del motore portate di gas senza porzioni significative di olio.

L’olio all’interno della portata di blow-by si trova, allo stato gassoso e liquido, in una forma che può essere ricondotta a sistemi di particelle di dimensioni eterogenee, da frazioni di micron a decine di micron. Le particelle di dimensioni minori provengono direttamente dalle portate di trafilamento attraverso le fasce elastiche, quelle di dimensioni maggiori prevalentemente dal processo di evaporazione dell’olio all’interno della coppa, connesso alle elevate temperature esistenti (circa 120 °C), nonché dallo sbattimento dell’olio nella coppa realizzato dalle manovelle e dalle bielle.

Per separare tali frazioni di olio dalla portata di gas destinata al ricircolo, sono state sviluppate diverse tecnologie, quali ad esempio la separazione inerziale dell’olio e la separazione tramite filtri.

Secondo la tecnologia di separazione inerziale dell’olio à ̈ previsto che la portata di blow-by venga inviata ad un separatore inerziale (o eventualmente a più separatori) in cui l’olio viene separato dalla corrente gassosa per effetto della sua maggiore densità. Tale tecnologia presenta lo svantaggio che l’attraversamento attraverso il separatore comporta una perdita di carico (che si aggiunge a quella dovuta al passaggio nelle tubazioni), di entità variabile in funzione del carico del motore, della sua velocità di rotazione, dell’invecchiamento del motore e delle caratteristiche dell’olio. Inoltre, la separazione inerziale à ̈ tanto più efficace quanto più grandi sono le dimensioni delle particelle di olio da separare dalla corrente gassosa, mentre nei motori moderni, tali dimensioni sono molto ridotte (al massimo qualche decina di micrometri), con la conseguenza che la separazione inerziale non risulta molto efficace.

Per quanto riguarda le tecnologie di separazione tramite filtrazione, la separazione tramite filtri (eventualmente disposti in serie a dispositivi di separazione inerziale) risulta molto efficace, ma l’adesività delle goccioline di olio alle superfici di elementi filtranti finisce per formare su tali filtri macroparticelle di olio che difficilmente si separano, costituendo così un aumento significativo delle perdite di carico attraverso i dispositivi di filtrazione. Tale aumento sfavorisce progressivamente il processo di separazione. L’uso di materiali opportunamente trattati, definiti come “oleofobici†, tali da non favorire una forte adesione tra le maglie/superfici dei filtri e le gocce di olio à ̈ comunque soggetto ad una perdita di tale capacità in relazione alla degenerazione delle proprietà dell’olio durante il funzionamento del motore. Lo sporcamento dell’olio, la perdita delle caratteristiche tribologiche, l’invecchiamento connesso ai cicli termici e la formazioni di emulsioni possono condizionare le proprietà oleofobiche dei filtri, vanificando la loro funzionalità. L’aumento delle perdite di carico connesse all’intasamento del filtro rende la filtrazione poco funzionale, soprattutto considerando il fatto che il gas di blow-by circola grazie alla differenza di pressione naturale che c’à ̈ tra la coppa del motore ed il punto di re-immissione nel condotto di aspirazione del motore.

Per minimizzare gli inconvenienti connessi con la tecnologia di filtrazione, à ̈ stata proposta la sostituzione dei filtri fissi con filtri rotanti che, azionati dal motore (tramite puleggia o motore elettrico), sono in grado di rigenerarsi in virtù del fatto che, per effetto della forza centrifuga, l’olio che intasa i filtri viene espulso verso la periferia del filtro. Tale tecnologia risolve solo in parte il problema della perdita di carico attraverso il filtro ed inoltre richiede la frequente sostituzione del filtro stesso, che usualmente si trova in zone poco accessibili del vano motore.

Inoltre, tutte le tecnologie fin qui discusse sono negativamente influenzati dalla variabilità delle portate di blow-by in funzione del carico e delle temperature medie del motore e dell’invecchiamento del motore stesso e delle frazioni di olio all’interno della portata di gas di blow-by. Infatti, tali variazioni rendono il dimensionamento dei dispositivi non ottimale. Occorre, infatti, dimensionare il dispositivo per le portate di blow-by maggiori (all’aumentare del carico del motore ed al diminuire delle temperature medie di lavoro del motore), con la conseguenza che, a basso carico, il funzionamento del sistema inerziale non à ̈ assolutamente garantito.

Un altro problema di queste tecnologie, inoltre, à ̈ dovuto alla variabilità della differenza di pressione tra la coppa del motore ed il punto di re-immissione del gas dopo la separazione dell’olio, che può essere dovuta a numerose ragioni motoristiche. Tale differenza di pressione rappresenta la forza motrice del blow-by e una sua variazione può rendere critica la circolazione del gas.

Alla luce di quanto sopra, appare evidente la necessità di poter disporre di un dispositivo che sia in grado di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota, che non presenti gli svantaggi connessi con perdite di carico e in particolare che non risenta di una degenerazione nel tempo delle sue proprietà di separazione per effetto della variazione della composizione media del gas di blow-by e della variazione delle portate connesse al carico motore ed alla temperatura di esercizio ed all’invecchiamento del motore stesso.

Scopo della presente invenzione à ̈ quindi quello di realizzare un dispositivo che permetta di superare i limiti delle soluzioni secondo la tecnologia nota e di ottenere i risultati tecnici precedentemente descritti.

Ulteriore scopo dell’invenzione à ̈ che detto dispositivo possa essere realizzato con costi sostanzialmente contenuti, sia per quanto riguarda i costi di produzione che per quanto concerne i costi di gestione.

Non ultimo scopo dell’invenzione à ̈ quello di realizzare un dispositivo che sia sostanzialmente semplice, sicuro ed affidabile.

Forma pertanto un primo oggetto specifico della presente invenzione un dispositivo inerziale per la separazione dei vapori d’olio dai gas di spurgo di motori, e il loro ricircolo alla coppa dell’olio del motore, detto dispositivo inerziale essendo collegato a detta coppa dell’olio e comprendendo un circuito per detto gas, lungo il quale sono disposti in successione: un compressore/ventilatore, un condotto con almeno una parte della sua sezione trasversale convergente, e un separatore inerziale.

Preferibilmente, secondo l’invenzione, detto compressore/ventilatore à ̈ collegato a mezzi di azionamento regolabili, che più preferibilmente comprendono un motore elettrico.

Inoltre, sempre secondo l’invenzione, detto condotto ha una sezione di passaggio convergente, oppure convergente-divergente.

Ancora, secondo la presente invenzione, detto separatore inerziale, à ̈ costituito da un ciclone singolo o da una pluralità di cicloni disposti in serie, e preferibilmente detto ciclone/detti cicloni ha una superficie interna dotata di scanalature.

Inoltre, secondo l’invenzione, l’olio ottenuto da detto separatore inerziale viene ricircolato alla coppa dell’olio del motore, mentre il gas purificato ottenuto da detto separatore inerziale viene ricircolato al condotto di aspirazione del motore.

Forma inoltre un secondo oggetto specifico della presente invenzione un procedimento di separazione inerziale che comprende una fase di accelerazione e di aumento della turbolenza della corrente da trattare, che precede la fase di separazione.

Preferibilmente, detto procedimento di separazione inerziale comprende ulteriormente una fase di compressione della corrente da trattare, che precede detta fase di accelerazione e di aumento della turbolenza della corrente.

Risulta evidente l’efficacia del dispositivo e del procedimento della presente invenzione, che consentono di migliorare le prestazioni degli attuali sistemi di separazione della stessa tipologia in quanto:

- favoriscono l’accorpamento delle goccioline di olio e dei vapori così come fuoriescono dalla coppa del motore a formare strutture di maggiori dimensioni, rendendo più efficace la separazione inerziale;

- aumentano la velocità tangenziale del gas di blow-by e delle gocce di olio in ingresso nel separatore inerziale, realizzando un’accelerazione della corrente in un minicondotto convergente (o con profilo convergente-divergente), la cui differenza di pressione viene recuperata tramite un ventilatore o compressore attuato elettricamente o per altra via; in tal modo, viene superato anche il problema della differenza di pressione tra la coppa del motore ed il punto di re-immissione del gas, variabile in relazione a numerosi parametri motoristici (quali ad esempio carico e velocità del motore, invecchiamento dell’olio e del motore, condizioni operative in camera di combustione).

Il dispositivo risulta, inoltre, più efficace anche degli attuali dispositivi basati su altra tecnologia (quali, ad esempio, filtri fissi o rotanti, combinazione di diverse tecnologie di separazione).

Il dispositivo si rende così funzionale ad una efficace separazione dell’olio dai gas di spurgo, con un grado di efficienza di separazione che può essere anche agevolmente variato, intervenendo sulla velocità di rotazione del compressore o del ventilatore. All’aumentare di tale velocità, infatti, aumentano le dimensioni medie delle gocce di olio (per impatto delle gocce di dimensioni inferiori in agglomerati di maggiori dimensioni oppure per aumento della turbolenza della corrente che favorisce la collisione) ed aumenta, inoltre, la velocità tangenziale della corrente gassosa e delle gocce e dei vapori di olio all’ingresso dei separatori inerziali; entrambi detti contributi favorendo la separazione dell’olio.

La presente invenzione verrà ora descritta, a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo una sua forma preferita di realizzazione, con particolare riferimento alle figure dei disegni allegati, in cui:

- la figura 1 mostra uno schema a blocchi di un dispositivo secondo la presente invenzione,

- la figura 2 mostra uno schema di funzionamento del condotto o ugello del dispositivo della figura 1, - la figura 3 mostra rispettivamente le componenti della velocità e delle forze agenti su una particella in moto su una circonferenza, e

- la figura 4 mostra schematicamente il condotto o ugello e il separatore inerziale del dispositivo della figura 1,

- la figura 5 mostra i dati in ingresso e i dati calcolati da un simulatore nel caso di un dispositivo inerziale di separazione secondo la tecnica nota, e - la figura 6 mostra i dati in ingresso e i dati calcolati da un simulatore nel caso di un dispositivo inerziale di separazione secondo la presente invenzione.

Facendo riferimento alla figura 1, il dispositivo inerziale per la separazione dei vapori d’olio dai gas di spurgo di motori alternativi a combustione interna secondo la presente invenzione, complessivamente indicato con il riferimento numerico 10, viene collegato con la coppa dell’olio 11, dalla quale viene prelevato il gas di blow-by, e comprende tre elementi principali: un compressore/ventilatore 12, un condotto 13 semplicemente convergente, o convergente-divergente e un separatore inerziale-ciclone 14, realizzato come componente singolo o a multicicloni.

In particolare, il compressore/ventilatore 12 à ̈ mosso da una puleggia trascinata da un motore elettrico o da un’altra qualsiasi attuazione. Scopo del compressore/ventilatore 12 à ̈ quello di conferire energia cinetica alla corrente gassosa e/o un aumento di pressione. L’aumento di pressione può essere funzionale alla circolazione dell’olio all’interno del sistema di separazione recuperando le inevitabili perdite di carico distribuite e concentrate e la naturale espansione che avviene all’interno della sezione convergente del condotto 13.

Il condotto o ugello 13 ha lo scopo di accelerare la corrente gassosa, in modo da favorire un’accelerazione differenziata delle gocce di olio in relazione alla loro massa (dimensioni). In tal modo, per effetto della loro bassa inerzia, le gocce di piccole dimensioni aumenteranno la loro velocità e collideranno con quelle di dimensioni maggiori che saranno più inerti. L’inglobamento delle gocce di piccole dimensioni in aggregati di dimensioni maggiori à ̈ inoltre ulteriormente favorito dall’incremento di turbolenza generato dal compressore/ventilatore 12.

Il separatore inerziale-ciclone 14, realizzato come componente singolo o con la soluzione a multi cicloni presenta una maggiore efficienza di separazione, dovuta al fatto che le velocità di immissione del gas di blow-by all’interno del separatore sono molto elevate (diverse decine di m/s) in virtù dell’accelerazione subita nel condotto 13. Si compensa in tal modo la scarsa efficienza dimostrata dai separatori inerziali nei confronti di particelle di dimensioni ridotte, aumentando l’efficienza con l’aumento della velocità tangenziale del gas all’interno del separatore inerziale.

La figura 1 mostra inoltre il circuito che unisce tra loro la coppa dell’olio 11 e i tre elementi principali del dispositivo inerziale di separazione della presente invenzione, che comprende le seguenti sezioni rilevanti: la sezione 15 di prelievo del gas di blow-by dalla coppa dell’olio 11, la mandata 16 del compressore 12, l’uscita 17 dal condotto 13, la reimmissione 18 dell’olio separato nella coppa 11 e la reimmissione 19 del gas purificato nel condotto di aspirazione del motore (non mostrato).

Il principio di funzionamento del dispositivo della presente invenzione può essere così descritto in modo più completo. Il compressore centrifugo o ventilatore 12 aspira dalla coppa dell’olio 11 i gas di blow-by. Il compressore o ventilatore 12, azionato da motore elettrico o da altra tecnologia di attuazione che consenta di variare la velocità di rotazione e di controllarne o meno la velocità. Nella sezione di aspirazione 15 si crea un flusso di gas che all’interno del condotto palare del compressore 12 subisce una prima pressurizzazione e soprattutto una accelerazione del flusso ed una intensificazione della turbolenza. Date le diverse velocità che si creano per la frazione liquida (goccioline di olio) e per la frazione solida (microparticelle crackizzate), l’intensificazione della turbolenza stessa favorisce un collassamento delle goccioline più piccole in goccioline più grandi aumentando la facilità successiva di separazione. Non solo, aumenta anche la probabilità di contatto tra i vapori di olio e le particelle crackizzate (residui carboniosi elementari) presenti. Ciò favorisce i processi di assorbimento, absorbimento ed adsorbimento delle frazioni solide all’interno delle particelle liquide, creando dei macroaggregati (dimensioni intorno alla decina di micron) la cui separazione dalla corrente gassosa risulta essere più semplice. In altre parole, l’intensificazione della turbolenza favorisce un meccanismo interno di depurazione del gas (gas cleaning) che à ̈ funzionale ad una separazione successiva. Ciò à ̈ dovuto alle elevate forze di attrazione superficiale che si manifestano tra le particelle stesse. Al ridursi delle dimensioni, infatti, aumenta il rapporto superficie/volume delle particelle e quindi il rapporto tra le forze di attrazione superficiali (di natura elettrostatica) e quelle di volume (peso) che tenderebbe ad allontanare le particelle. Il risultato à ̈ che le forze superficiali diventano preponderanti rispetto alle forze di volume, favorendo un collassamento delle particelle e sfavorendo una loro separazione. Questo meccanismo può essere rappresentato graficamente attraverso la figura 2, in cui sono mostrati schematicamente il condotto 13 e le goccioline di olio 20 che, attraversandolo, crescono di dimensione.

L’aumento della pressione favorisce anche il passaggio di fase gas–liquido per cui i vapori di olio tendono a condensare verso aggregazioni liquide più semplici da separare.

La perdita di carico che si ha all’interno del condotto o ugello 13 viene recuperata dall’aumento di pressione realizzato dal compressore/ventilatore 12. Considerato che tale aumento di pressione può essere facilmente controllato con la velocità di rotazione del compressore/ventilatore 12, agendo su detta velocità si compensano le variazioni di pressione naturale che sono presenti tra la coppa dell’olio 11 e la reimmissione 19 del gas purificato nel condotto di aspirazione del motore.

Il compressore/ventilatore 12 ha, quindi, la funzione di accelerare la corrente di blow-by e di convertire in modo efficace tale energia cinetica in energia di pressione. In una forma preferita di realizzazione il compressore/ventilatore 12 à ̈ costituito da una macchina molto semplice, composta da una girante e da un piccolo diffusore che recupera in energia cinetica la quota di energia di pressione comunque scambiata all’interno della girante. Sulle superfici della girante del compressore/ventilatore 12 si raccoglie una certa frazione dell’olio presente nel gas di blow-by, formando un film di olio che può essere ricircolato nella coppa dell’olio 11 per mezzo di un condotto specifico oppure viene semplicemente trascinato in forma di macrogocce dalla corrente gassosa verso i successivi elementi del dispositivo per la successiva separazione.

Il condotto 13, con sezione di passaggio convergente, oppure convergente-divergente o con sezione di passaggio più complessa (con una prima sezione convergente, una seconda sezione costante e una terza sezione divergente), aumenta l’energia cinetica della corrente e favorisce la creazione di aggregati di olio e microparticelle di maggiori dimensioni.

Tale flusso polifase (gas di scarico, goccioline di olio, particelle crackizzate, e altri componenti), dotato di una elevata energia cinetica, viene inviato in un separatore inerziale 14 di tipo centrifugo, a singolo ciclone o multiciclone. La migliore efficienza di separazione di tale separatore (rispetto alle tecnologie attuali) viene garantita dall’elevata energia cinetica che la portata di gas di blow-by acquisisce all’interno del “ciclone†un elevato momento angolare di quantità di moto. Nella soluzione a multicicloni (che trattano la portata di blow-by in parallelo), le piccole dimensioni del diametro del ciclone favoriscono, così, ancor più elevate velocità periferiche (se il caso), con una amplificazione della forza centrifuga proporzionale al quadrato della velocità ed inversamente proporzionale al raggio del ciclone. Sulle superfici interne del ciclone dove viene raccolto l’olio separato dalla forza centrifuga dalla corrente dei gas possono essere presenti opportune scanalature (ad esempio filettature o scanalature continue o intermittenti lungo le superfici) che realizzano la funzione di raccogliere l’olio che viene poi inviato alla coppa del motore 11.

Dall’analisi del principio di funzionamento del dispositivo inerziale di separazione 10 della presente invenzione si comprendono i vantaggi di tale dispositivo, che sono: l’assenza di fenomeni di intasamento; l’assenza di perdite di carico significative, in quanto la funzione del compressore ventilatore à ̈ anche quella di recuperare le perdite di pressione; l’assenza di materiali (filtri) che necessitano di una sostituzione periodica (ovvero il limitato ricorso a detti materiali); la semplicità dei componenti, sinonimo di affidabilità; la possibilità di adeguamento del dispositivo a qualsiasi portata di blow-by; la capacità dello stesso di operare anche al variare della velocità di rotazione del motore; la capacità del dispositivo di operare al variare delle condizioni del motore e della tenuta realizzata dagli anelli elastici (invecchiamento del motore e del’olio di lubrificazione).

A titolo illustrativo, ma non limitativo, nel seguito della descrizione verranno presentate le basi teoriche sulle quali si appoggia il dispositivo di separazione oggetto della presente invenzione.

È noto che un ciclone separatore à ̈ sostanzialmente costituito da: una camera con una sezione superiore cilindrica e una sezione inferiore troncoconica, coassiale alla sezione superiore, che il gas percorre con moto elicoidale verso il basso; un condotto di ingresso, in corrispondenza della sezione superiore della camera, che convoglia la portata d’aria e ne determina l’immissione nel dispositivo con direzione tangenziale, rispetto alla superficie cilindrica della sezione superiore della camera; un condotto di raccolta, che si sviluppa internamente alla camera in corrispondenza dell’asse delle due sezioni della camera e che guida il moto ascensionale della corrente purificata; un dispositivo di scarico dalla sezione inferiore della camera, che raccoglie le impurità separate dal gas.

La forza inerziale responsabile della separazione delle particelle a densità maggiore dal gas in moto à ̈ la forza centrifuga, originata dal moto elicoidale che si instaura all’interno della camera cilindrica. La trattazione teorica del fenomeno di separazione delle particelle dalla corrente gassosa pone le sue basi sull’analisi della traiettoria seguita da queste ultime all’interno della camera, considerando le condizioni di immissione imposte dal condotto di ingresso ed imponendo l’equilibrio delle forze in direzione assiale e in direzione radiale.

Con riferimento alla Figura 3, le forze a cui una particella di olio di densità Ï o, assunta di forma sferica e di diametro d, sono le seguenti:

- la forza centrifuga, definita come

3

<4> d<2>

2<Ï pi>  u<pi>2

m â‹… u o t

3 2Ï sd3 ut

F= t ï£ ï£ ̧

c = =6(1)

r r r

in cui

m massa della particella

utcomponente tangenziale della velocità

r distanza della particella dall’asse della spirale - la forza peso

Fp=mÏ o= Ï <pi>d 3

og

6 (2) - la spinta di Archimede

<pi>Fa= Ï gd 3 g

6 (3) in cui:

Ï gdensità del gas

- la resistenza al moto relativo tra particella e fluido che, considerando condizioni di moto laminare, date le velocità relativamente basse, può essere rappresentata dalla legge di Stokes:

Fr=3 piµâ‹…d â‹… ur(4) Fr=3 piµâ‹…d â‹… u0(5) in cui:

urvelocità della particella in direzione radiale u0velocità della particella in direzione assiale µ viscosità del gas

Con le premesse di cui sopra, il dimensionamento del separatore può essere effettuato definendo il valore dei rapporti tra ciascuna dimensione ed una dimensione assunta come caratteristica del ciclone.

La separazione delle particelle ha il suo fondamento teorico risolvendo l’equilibrio delle forze in direzione radiale ed in direzione assiale. Le forze radiali consentono alla particelle di raggiungere le superfici laterali del ciclone e, quindi, di separarsi dalla corrente gassosa; le forze lungo l’asse del cilindro definiscono il moto nella stessa direzione, imponendo il tempo di transito all’interno del ciclone, prima che la corrente gassosa riprenda la direzione che la porta all’esterno del separatore stesso.

Imponendo l’equilibrio delle forze in direzione radiale, si ottiene:

Fc= Fr(6)

ovvero

piÏ 3 2

o d u t

3µpi â‹…dâ‹… u = 6

r

r (7)

da cui:

u<2>

<t>18 µ

= u r

r Ï 2

o d (8)

Imponendo l’equilibrio delle forze in direzione assiale:

Fp−Fa= FR

ovvero

pi

<d3g>(<Ï >o<− Ï >g)<= 3 µpi â‹…d â‹… u>06(9)

si determina l’espressione della velocità verticale u0che la particella raggiunge:

d 2 (Ï âˆ’ Ï ) g

uo g

0 =

18 µ (10)

Nell’ipotesi di Ï omolto maggiore di Ï g, si può ritenere:

d 2 Ï g

u 0 =<o>

18 µ (11)

Confrontando le relazioni (7) e (11), à ̈ possibile ricavare il legame tra le componenti assiale, radiale e tangenziale della velocità delle particelle:

u

u = r

0

u2rg

t (12)

Con riferimento alle modalità di funzionamento di un ciclone, può essere definito un diametro minimo Duche individua l’ultima traiettoria elicoidale utile alla separazione delle particelle dal gas che si muovono lungo essa. Durappresenta anche il diametro della corrente ascensionale di gas trattato e può essere messo in relazione al diametro D0del condotto di scarico del gas:

Du= β ⋅D0(13)

con un valore medio del coefficiente β=0,4.

Il raggio r della più piccola traiettoria su cui la particella può muoversi venendo comunque separata dal gas di trasporto à ̈:

β ⋅<D>r=<0>

2 (14)

quindi, dalla (12):

u D

u r 0

0=

u2β g

t 2 (15)

La relazione ottenuta definisce il valore della più piccola velocità verticale in corrispondenza del quale l’azione centrifuga esercitata dal ciclone à ̈ ancora in grado di determinare la separazione delle particelle.

I valori delle componenti tangenziali e radiali della velocità delle particelle si possono calcolare in funzione della portata di gas di trasporto e delle dimensioni del separatore.

Definita con urla velocità radiale della particella che si muove su una traiettoria di raggio r, assumendo che la velocità radiale urdipende soltanto •

dal raggio r, la portata massica di gas<m g>attraverso la superficie cilindrica di raggio r, avente l’asse coincidente con l’asse del ciclone, à ̈ data da:

•

mg =2pi â‹…râ‹… (H1+H2) â‹… urÏ g(16) da cui:

•

m g

u<r>=

2pi â‹…râ‹… (H1+ H2) Ï g(17) Indicata con utla velocità tangenziale della particella che si muove su una traiettoria di raggio r, da osservazioni di carattere sperimentale si desume la seguente relazione:

D

<u t>

<t>=<ut0>2r (18) in cui ut0rappresenta la velocità tangenziale di una particella che si muove su una traiettoria di diametro pari al diametro Dtdella camera del ciclone, ed à ̈ ben approssimata dalla velocità del gas nella sezione di ingresso di area Ai:

•

m g

u<t>0=

Ai Ï g (19) per cui la precedente relazione diventa:

•

m g D

u<t>

<t>=

AiÏ g 2 r (20) Sostituendo le espressioni di r, ute urnella relazione (15) che lega tra loro le tre componenti della velocità, si ottiene la velocità verticale u0in funzione delle caratteristiche geometriche del separatore e della portata di gas:

•

m g 1 D

u â‹… 0

0=

2pi â‹…r (H H ) Ï ï£« • 2 β<g>

1 2 g

 m  2

g D t



 Ai Ï g 2 r



ï£ ï£ ̧ (21) da cui:

βAi Ï gD 0 g

u 0 = •

pi (H1 H 2 )m<g>Dt(22) Nota l’espressione di u0, si sostituisce il suo valore nella relazione (11) derivante dall’imposizione dell’equilibrio delle forze in direzione assiale, per ottenere il valore del diametro della più piccola particella che può essere trattenuta dal ciclone:

18 µ â‹… u

d 0=

Ï og (23) Le equazioni (22) e (23) rappresentano il fondamento teorico della presente invenzione.

L’incremento della velocità tangenziale all’interno alla camera cilindrica e la contemporanea riduzione del diametro di quest’ultima fanno sì che il minimo diametro delle particelle separate diminuisca, come evidente analizzando le (22) e (23).

Quindi, ancora con riferimento alla figura 3,

definito il valore del parametro<φ>

A

φ = 2

A 1 (24)

in cui A2Ã ̈ la sezione di ingresso al separatore, se si

riduce la sezione A2di un fattore<φ>, le dimensioni

lineari del separatore si riducono di un fattore<φ>:

βAi Ï gD 0 g φ

u0 , φ = •

pi (H1 H 2 )mg Dt<φ>

(25)

d<18>µ â‹… u

φ=<0>φ<0.25>= d ⋅φ<0.25>

Ï o g (26)

e il diametro minimo delle particelle che vengono<25>

separate si riduce di un fattore φ<0.>

. Ciò porta ad un beneficio dimensionale del dispositivo di separazione e a un beneficio prestazionale.

Note regole che definiscono le grandezze termofluodinamiche attraverso la superficie A1ed A2consentono di determinare le differenze di pressione in relazione all’aumento di velocità nella sezione 2.

La tecnica dei multicicloni per la separazione inerziale appare maggiormente indicata. Dalle equazioni (22) e (23) si osserva come utilizzando n cicloni, si riduce la sezione di ingresso Ai di ciascun ciclone di 1

un fattore<n>e le dimensione lineari del separatore si

1

riducono di un fattore<n>. Le grandezze diventano: βAi Ï gD 0 g

u = n

0 ,<n>•1

pi (H1 H 2 )mg Dt

n (27) 18 µ â‹… u

d 01 1

n= 0.25 = d â‹…

Ï og n n0.25

(28) Il diametro delle particelle più piccole che vengono separate risulta ulteriormente ridotto di un 1

fattor n0.25

e .

Esempio 1

L’efficacia della tecnologia viene messa in evidenza attraverso una simulazione matematica dei processi che accadono all’interno del dispositivo oggetto dell’invenzione. In particolare, la tabella 1 riporta i dati di progetto relativi alle esigenze della separazione.

Tabella 1

Parametri Unità Valore Portata di Blow-by l/min 80 Portata di olio prima della g/h 5 separazione (dalla coppa del motore)

Specifica a valle del sistema di g/h 0,2 separazione

Max caduta di pressione mbar 7 Pressione nella coppa del motore Bar 2,4

Con tali dati, in assenza della tecnologia secondo la presente invenzione, sarebbe necessaria una separazione inerziale con sette cicloni operanti in parallelo, come mostrano i dati della figura 5 in cui sono sintetizzati i principali dati di ingresso di un modello matematico completo del transito della portata di blow-by (perdite di carico) e della separazione inerziale. I due grafici in basso a destra nella figura 5 riportano la distribuzione dimensionale delle particelle di olio all’interno della portata di blow-by e quella relativa alla massa.

Con riferimento alla figura 5, invece, sono mostrati i dati ottenuti in un sistema inerziale di separazione come quello della presente invenzione, comprendente un ventilatore/compressore e un condotto intensificatore di turbolenza e di velocità della corrente e favorente l’aggregazione dell’olio in gocce di maggiori dimensioni. In questo caso, à ̈ sufficiente la presenza di due soli separatori inerziali.

Gli ulteriori vantaggi connessi con l’indipendenza dell’efficacia della separazione dalla differenza di pressione tra la coppa del motore e il punto di reimmissione del gas risultano garantiti.

La presente invenzione à ̈ stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma à ̈ da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate dagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate.

Claims (10)

1. RIVENDICAZIONI 1) Dispositivo inerziale (10) per la separazione dei vapori d’olio dai gas di spurgo di motori, e il loro ricircolo alla coppa dell’olio (11) del motore, detto dispositivo inerziale (10) essendo collegato a detta coppa dell’olio (11) e caratterizzato dal fatto di comprendere un circuito per detto gas, lungo il quale sono disposti in successione: un compressore/ventilatore (12), un condotto (13) con almeno una parte della sua sezione trasversale convergente, e un separatore inerziale (14).
2. 2) Dispositivo inerziale (10) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che detto compressore/ventilatore (12) Ã ̈ collegato a mezzi di azionamento regolabili.
3. 3) Dispositivo inerziale (10) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detti mezzi di azionamento regolabili comprendono un motore elettrico.
4. 4) Dispositivo inerziale (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto condotto (13) ha una sezione di passaggio convergente, oppure convergentedivergente.
5. 5) Dispositivo inerziale (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto separatore inerziale (14), à ̈ costituito da un ciclone singolo o da una pluralità di cicloni disposti in serie.
6. 6) Dispositivo inerziale (10) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che detto ciclone ha una superficie interna dotata di scanalature.
7. 7) Dispositivo inerziale (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che l’olio ottenuto da detto separatore inerziale (14) viene ricircolato alla coppa dell’olio (11) del motore.
8. 8) Dispositivo inerziale (10) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il gas purificato ottenuto da detto separatore inerziale (14) viene ricircolato al condotto di aspirazione del motore.
9. 9) Procedimento di separazione inerziale, caratterizzato dal fatto di comprendere una fase di accelerazione e di aumento della turbolenza della corrente da trattare, che precede la fase di separazione.
10. 10) Procedimento di separazione inerziale secondo la rivendicazione 9, caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente una fase di compressione della corrente da trattare, che precede detta fase di accelerazione e di aumento della turbolenza della corrente.