KR102128633B1 - 분리기 - Google Patents

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다니엘 코플리
에드리언 민셰어
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파커 하니핀 매뉴팩쳐링(유케이) 리미티드
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Abstract

유체류로부터 오염물을 분리하기 위한 분리기는 상기 유체류를 수용하도록 마련된 제1 입구, 및 상기 입구로부터 제1 유체류를 수용하기 위하여 직렬로 함께 결합된 제1 및 제2 분리 스테이지를 구비한다. 펌프는 감소된 압력의 영역을 발생시키기 위한 상기 제2 분리 스테이지에 결합되어 상기 제1 및 제2 분리 스테이지를 통해 상기 제1 유체류를 흡입한다. 상기 분리 스테이지 중 하나는 가변 임팩터 분리기를 포함하고, 상기 가변 임팩터 분리기는 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 챔버, 상기 제1 유체류로부터 오염물이 분리되도록 상기 제1 유체류가 구멍을 통해 가속화되고 충돌 면에 입사하도록 마련된 적어도 하나의 구멍을 통해 상기 제1 챔버에 결합되는 제2 챔버를 포함한다. 액츄에이터는 상기 제1 챔버 내의 유체 압력과 제3 챔버 내의 기준 유체 압력 간의 압력차에 따라 상기 적어도 하나의 구멍의 개방 영역을 조절하도록 마련된다. 상기 분리 스테이지의 다른 하나는 제2 가변 임팩터 분리기 또는 필터 매체이다.

Description

분리기{A SEPARATOR}
본 발명은 분리기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유체류(fluid stream)로부터 입자, 액체, 및 에어로졸 오염물을 분리하기 위한 분리기에 관한 것이다. 본 발명의 일부 실시예는 왕복 엔진 내의 블로-바이 가스류로부터 입자, 액체, 및 에어로졸 오염물을 분리하기 위한 분리기에 관한 것이다. 본 발명의 특정 실시예에 따른 분리기는 크랭크케이스 환기 시스템 내의 압력을 조절하기 위한 기구를 포함한다. 본 발명의 실시예는 크랭크케이스 환기 시스템에서 사용하기 적합한 펌프 지원형 일체식 분리기 및 조절기를 제공한다.
왕복 엔진 내의 블로-바이 가스는 연소 과정의 부산물로서 생성된다. 연소 시, 연소 가스의 혼합물의 일부는 피스톤 링이나 다른 밀봉체를 지나 유출하여 피스톤 외부의 엔진 크랭크케이스로 유입된다. "블로-바이(blow-by)"란 용어는 가스가 피스톤 밀봉체를 지나 분출된다는 사실을 나타낸다. 블로-바이 가스의 흐름 정도는 여러 요인, 예를 들어 엔진 배기량, 피스톤 실린더 밀봉체의 유효성, 및 엔진의 동력 출력에 따라 좌우된다. 통상적으로, 블로-바이 가스는 다음과 같은 구성 성분: (액체와 에어로졸의 양자로서, 0.1㎛ 내지 10㎛ 범위 내의 에어로졸 방울을 갖는) 오일, 매연 입자, 질소 산화물(NOx), 탄화수소(가스 탄화수소와 가스 알데히드의 양자), 일산화탄소, 이산화탄소, 산소, 물, 및 그 밖의 가스 공기 성분을 갖는다.
블로-바이 가스가 어떠한 출구도 없는 크랭크케이스 내에 유지되면, 상기 크랭크케이스 내의 압력은 엔진 내의 다른 곳으로, 예를 들어 크랭크케이스 밀봉체, 계량봉 밀봉체, 또는 터보차저 밀봉체로 크랭크케이스 오일의 누출에 의해 압력이 완화될 때까지 상승한다. 이러한 누출은 엔진에 손상을 야기할 수 있다.
이러한 손상 및 오일의 과도한 손실을 방지하기 위하여, 블로-바이 가스를 대기로 배기하는 출구 밸브를 제공하는 것이 알려져 있다. 그러나, 일반적으로 환경에 대한 인식의 증가와 더불어, 특히 자동차 산업 안에서, 크랭크케이스 내부로부터의 오일 및 다른 오염물의 배출 때문에, 블로-바이 가스의 대기로의 배기는 허용되지 않고 있다. 또한, 이러한 배기는 크랭크케이스 오일이 소모되는 속도를 증가시킨다.
따라서, 상기 블로-바이 가스를 여과하는 것이 알려져 있다. 이때, 상기 여과된 블로-바이 가스는 (개방형 루프 시스템에서) 앞서와 같이 대기로 배기될 수 있다. 분리된 오일은 배수 호스를 통해 섬프로 복귀된다. 상기 블로-바이 가스는 여과 매체 또는 다른 공지된 형태의 가스 오염물 분리기를 통과하여 파울링(fouling)으로부터 그리고 이에 따른 성능의 감소 또는 구성요소의 고장으로부터 엔진 구성요소를 보호하기 위하여 오일, 매연, 및 다른 오염물을 제거할 수 있다. 허용할 수 없을 정도의 높은 엔진 크랭크케이스 압력을 회피하기 위하여, 이러한 분리기는 엔진 크랭크케이스 및 다른 밀봉체로부터 오일 누출을 방지하기 위해 엔진 제조업체에 의해 규정된 허용 한계보다 높은 흐름 압력차를 가져서는 안된다. 통상적으로, 5mbar와 50mbar 사이의 상한이 설정된다.
세정된 블로-바이 가스를 엔진의 흡기구로 복귀시켜 (폐쇄형 루프 시스템을 형성함으로써), 분리 후에 남겨진 어떠한 오일 에어로졸도 대기로 배기되지 않는 것이 확보된다. (폐쇄형 크랭크케이스 환기 시스템으로 알려진) 이러한 시스템에 대해, 엔진 흡기에 의해 생성된 작은 진공은 일부 순간적인 속도 및 부하 조건에서 부압이 엔진으로 이동되는 것을 방지하기 위해 별도의 압력 조절기에 대한 필요성을 초래한다.
세정된 블로-바이 가스가 터보차저 시스템을 통해 엔진의 흡기구로 복귀되는 경우, 터보차저 제조업체로부터 공기를 세정하는 방법에 대한 규격을 준수할 필요가 있다. 예를 들어, 터보차저에 대한 통상적인 최대 오일 오염 비율은 시간당 0.2g이다. 이러한 요건은 요구되는 분리 효율을 더 증가시킬 수 있다.
개방형 또는 폐쇄형 크랭크케이스 환기 시스템에 의해 형성된 범위 내의 압력차를 갖는 공지된 분리기의 최대 중량 효율(maximum gravimetric efficiency)이 측정되고 이는 산업계에서 당업자에 의해 알려져 있다. 일반적으로 질량에 의거하여 오일 에어로졸의 70% - 80%가 제거될 수 있다. 두 분리기를 직렬로 적용하고 그 각각은 가용 압력차의 일부를 이용하는 것은 전체 효율의 상당한 향상을 이끌어내지 못하는 것으로 발견되었다.
개방형 및 폐쇄형 루프 시스템의 양자에서 더 높은 분리 효율에 대한 요구가 증가하고 있다. 예를 들어, 절대 측정 필터를 이용하여 수집된 입자에 대해 질량에 의해 측정된(중량에 의해 측정된) 98%보다 큰 전체 오일 분리 효율이 여러 엔진 제조업체에 의해 요구된다. 첨단 장비를 이용하면, 분획 효율(fractional efficiency)(즉, 임의의 주어진 입자 크기에서 장치의 분리 성능)은 약 0.03㎛보다 큰 입자 크기에 대해 측정될 수 있다. 엔진의 입자 챌린지 특성(particle challenge characteristics)(즉, 오염물의 분획 성질)은 유사하게 측정될 수 있다. 일부 경우에, 0.2㎛만큼 작은 특정 입자 크기에 대해 85%만큼 높은 효율 요건이 부여될 수 있다. 또한, 유럽 및 미국에서 배기가스 입법은 요구되는 분리 효율을 점점 증가시키고 있으며, 따라서 곧 99% 중량 분리 효율을 달성할 필요가 있을 것이다.
필터 매체를 이용하는 분리는 이러한 필터가 유한한 수명을 가져서 막히기 전에 교체되어야 하므로 바람직하지 않다. 일반적으로, 엔진 제조업체 및 최종 사용자는 엔진의 수명이 다하는 동안 제 위치에 계속 있을 수 있는 엔진 구성요소만을 사용하기를 선호한다. 무한형(fit for life) 분리기가 알려져 있지만, 통상적으로 동력형 원심 분리기 및 전기 집진기만이 지금까지 분리 효율의 요구 정도를 달성할 수 있었다. 이러한 분리기는 제조하는데 비용이 많이 들며, 전력의 소모가 많고, 또는 마모되기 쉬울 수 있는 이동 부품을 갖는다. (오염된 가스류가 가스 흐름에 대해 가로지르는 임팩터 플레이트로 입사함에 따라 분리가 발생하는) 저비용인 무한형 임팩터 분리기는 통상적으로 요구되는 분리 효율을 달성할 수 없다. 종래에 임팩터 분리기는 관성 기액 임팩터 분리기로도 불리운다. 개방형 및 폐쇄형 크랭크케이스 환기 시스템의 양자에서 관성 기액 임팩터 분리기를 이용하는 것이 알려져 있다. 유체를 슬릿, 노즐, 또는 다른 오리피스를 통해 고속으로 가속화시키고 유체류를 임팩터 플레이트에 대해 안내하여 급격한 방향 변화를 야기함으로써 상기 유체류로부터 오염물이 제거된다.
Parker Hannifin(UK) Ltd의 WO-2009/037496-A2는 유체류로부터 오염물을 분리하기 위한 분리기를 개시하고 있다. 상기 분리기는 챔버, 제1 유체류를 수용하기 위한 것으로 상기 제1 유체류를 가속화하기 위한 수렴 노즐을 갖는 제1 입구, 및 혼입된(entrained) 오염물, 예를 들어 블로-바이 가스를 포함하는 제2 유체류를 수용하기 위한 제2 입구를 포함한다. 상기 제2 입구는 제1 유체류가 제2 유체류를 혼입하고 가속화하여 챔버 내에서 조합된 유체류를 형성하도록 상기 제1 입구에 대하여 상대적으로 배치된다. 표면이 챔버에 결합되어 상기 표면이 그로 입사하는 조합된 유체류의 경로의 편향을 야기할 수 있도록 배치되고, 이에 따라 상기 조합된 유체류로부터 오염물이 분리된다.
이러한 공지된 형태의 분리기에 따르면, 오염물은 피동 또는 이동 부품의 필요 없이 높은 효율도로 유체류로부터 제거될 수 있다. 상기 분리기는 내연 기관으로부터 유도된 블로-바이 가스류와 같은 가스류에서 오염물을 분리하는데 적합하다. 상기 제1 유체류는 차량 엔진 내의 터보 압축기 또는 다른 압축 공기의 공급원으로부터 유도될 수 있고 엔진의 크랭크케이스로부터 블로-바이 가스를 흡입하는 역할을 한다. 상기 제1 유체류는 블로-바이 가스를 흡입하는 챔버에서 감소된 압력의 영역을 형성한다. 이러한 분리기는 고장날 수 있는 이동 부품 또는 막히기 쉬어 잦은 교체를 필요로 하는 여과 매체가 없기 때문에 무한형 분리기일 수 있다.
유체류의 편향에 의해 분리를 야기하도록 마련된 충돌 면을 갖는 분리기에 대해, 분리 효율은 유체류가 통과하는 노즐을 제공함으로써 증가될 수 있다. 상기 노즐은 유체류가 더 빠른 속도로 충돌 면으로 입사하도록 상기 유체류가 가속화되게 한다. 가장 빠른 속도 및 분리 효율을 달성하기 위하여 가능한 가장 작은 단면적을 갖는 노즐을 적용하는 것이 바람직하다. 이에 대한 바람직하지 않은 결과는 상기 분리기에 걸쳐 생성된 높은 압력 강하이다. 크랭크케이스 압력이 허용가능하지 않은 정도로 증가하는 것을 방지하기 위하여, 상기 노즐의 최소 크기 및 이에 따른 상기 분리기의 성능은 제한된다. 허용 한계 내에서 크랭크케이스 압력을 제어하기 위하여, 압력 조절기가 분리기의 상류 또는 하류에 부가되어야 한다.
고정된 단면 노즐을 갖는 이러한 전술한 바와 같은 관성 분리기는 임팩터 면에 걸쳐 균일한 속도를 갖는 기류를 생성한다. 상이한 크기로 이루어진 입자의 관성 차이로 인하여, 특유의 분획 분리 효율 프로파일의 결과로 인해서 가장 작은 입자는 크고 무거운 입자에 비해 상당히 낮은 성공적인 분리 기회를 갖게 된다.
본 발명의 실시예의 목적은 본 명세서에서 확인되던지 또는 다른 것에서 확인되던지 간에 종래 기술과 관련된 하나 이상의 문제점을 제거하거나 완화시키는 것이다. 구체적으로, 본 발명의 실시예의 목적은 크랭크케이스 환기 시스템, 특히 무한형 폐쇄 크랭크케이스 환기 시스템(CCV 시스템)의 추가적인 효율 향상을 제공하는 것이다. 본 발명의 일부 실시예는 전력, 또는 복잡한 회전 부품에 의존하지 않는다. 본 발명의 실시예의 다른 목적은 유체 입구 압력이 허용가능하지 않은 정도로 상승하는 것을 방지할 수 있는 고효율 분리기를 제공하는 것이다.
본 발명의 제1 관점에 따르면, 유체류로부터 오염물을 분리하기 위한 분리기가 제공되고, 상기 분리기는 혼입된 오염물을 포함하는 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 입구; 직렬로 함께 결합되고, 상기 제1 입구로부터 제1 유체류를 수용하기 위하여 상기 제1 입구에 결합되고, 상기 제1 유체류로부터 오염물을 분리하도록 각각 마련되는 제1 및 제2 분리 스테이지; 및 상기 제2 분리 스테이지에 결합되고, 감소된 압력의 영역을 발생시켜 상기 제1 및 제2 분리 스테이지를 통해 상기 제1 유체류를 흡입하도록 마련되는 펌프를 포함하고, 상기 분리 스테이지 중 하나는 가변 임팩터 분리기를 포함하고, 상기 가변 임팩터 분리기는 상기 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 챔버; 상기 제1 유체류로부터 오염물이 분리되도록 상기 제1 유체류가 구멍을 통해 가속화되고 충돌 면에 입사하도록 마련된 적어도 하나의 구멍을 통해 상기 제1 챔버에 결합되는 제2 챔버; 및 상기 제1 챔버 내의 유체 압력과 제3 챔버 내의 기준 유체 압력 간의 압력차에 따라 상기 구멍, 각 구멍, 또는 구멍 그룹의 개방 영역을 조절하도록 마련된 액츄에이터를 포함하고, 상기 분리 스테이지의 다른 하나는 제2 가변 임팩터 분리기와 필터 매체 중 하나를 포함한다.
본 발명의 이점은 상기 펌프가 충돌 면의 하류에 감소된 압력의 영역을 발생시켜서 허용할 수 없는 정도로 입구 압력을 상승시키지 않고 상기 분리기 스테이지에 걸쳐 높은 압력차가 유지되게 하는 점이다. 또한, 상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나는 상기 입구 압력이 압력 기준에 대해 소정의 정도로 유지되게 한다. 바람직하게는, 상기 압력 기준은 주위 환경이고, 이는 크랭크케이스 압력이 주위 환경 압력으로 또는 그 근방으로 엄밀히 제어되게 하여 엔진 밀봉체에 대한 압력을 감소시킨다.
본 발명의 실시예에 따른 분리기는 동일한 압력 강하를 이용하는 단일 스테이지 분리기의 성능에 비해 둘 이상의 분리 스테이지에 걸쳐 상기 펌프에 의해 제공된 가용 압력 강하를 분할함으로써 중량 및 분획 분리 효율 양자의 상당히 높은 비율을 달성할 수 있다. 이러한 유의미한 결과는 펌프 형태의 외부 에너지 공급원의 이득 없이 달성가능하지 않다. 동시에, 상기 가변 임팩터 또는 각 가변 임팩터 분리 스테이지는 분리 효율을 최대화하면서 상기 분리기에 걸쳐 효과적인 압력 조절을 제공하여 상기 크랭크케이스 압력이 소정 한계 아래로 떨어지거나 이를 초과하는 것을 방지한다. 상기 가변 임팩터 분리기 또는 각 가변 임팩터 분리기는 가용 펌프 압력에 따라 상기 구멍의 개방 영역을 부가적으로 제어한다. 상기 구멍의 개방 영역에 걸친 이러한 제어는 조절이 불가하거나 조절이 불량한 펌프식 분리기에서 흔히 발생하는 펌프 서지 및 높고 낮은 압력 동요의 영향을 감소시키거나 완전히 제거한다.
상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나에 대해, 상기 충돌 면은 제2 챔버 내에 있을 수 있고 상기 제1 유체류가 제2 챔버로 유입된 후에 상기 제1 유체류를 편향시키도록 마련되어 상기 제1 유체류로부터 오염물이 분리된다.
상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나에 대해, 상기 구멍의 개방 영역의 변화율이 상기 제1 및 제3 챔버 간의 압력차의 변화에 대해 비선형 반응을 갖도록 상기 구멍의 형상이 선택될 수 있다.
상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나에 대해, 상기 액츄에이터는 제1 챔버를 제3 챔버로부터 분리하는 다이어프램을 포함할 수 있다.
상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나에 대해, 상기 제1 챔버는 내부 튜브의 제1 단부에서 상기 제1 유체류를 수용하도록 마련된 내부 튜브에 의해 형성될 수 있고, 상기 제2 챔버는 제1 챔버를 둘러싸는 외부 튜브에 의해 형성되고, 상기 내부 튜브의 제2 단부는 상기 다이어프램에 의해 폐쇄된다.
상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나에 대해, 상기 다이어프램은 제1 챔버와 압력 기준 간의 압력차의 변화에 응답하여 상기 튜브의 길이방향 축을 따라 이동하도록 마련될 수 있다.
상기 가변 임팩터 분리기 또는 상기 가변 임팩터 분리기 중 적어도 하나에 대해, 상기 구멍은 내부 튜브 벽을 관통한 슬롯을 포함할 수 있고 상기 다이어프램은 상기 다이어프램이 이동함에 따라 슬롯을 점진적으로 가리거나 드러내어 상기 구멍의 개방 크기를 변화시키는 가요부를 더 포함할 수 있다. 대안적인 실시예에서, 상기 슬롯은 일련의 분리형 슬롯, 구멍, 또는 상기 챔버 간의 다른 개구에 의해 대체될 수 있다.
상기 분리기는 액체 오염물을 상기 분리기로부터 배수하도록 마련된 배수관을 더 포함할 수 있다.
상기 제1 분리 스테이지는 가변 임팩터 분리기를 포함할 수 있고, 상기 제2 분리 스테이지는 제1 분리 스테이지와 펌프 사이에 결합된 필터 매체를 포함할 수 있고, 상기 필터 매체는 제1 유체류에 혼입된 오염물의 일부를 포착하도록 마련된 패스 쓰루 필터 매체를 포함한다.
상기 펌프는 제4 챔버를 포함할 수 있고, 상기 제4 챔버는 제2 유체류를 상기 제4 챔버로 수용하기 위한 제2 입구 및 상기 제1 유체류를 수용하기 위한 제3 입구를 구비하고, 상기 제2 입구는 제2 유체류를 가속화하기 위한 수렴 노즐을 포함하고, 상기 제2 유체류가 제1 유체류를 혼입하여 가속화할 수 있도록 상기 제3 입구는 제2 입구에 대하여 상대적으로 배치된다. 대안적으로, 상기 펌프는 전기적으로 또는 유압식으로 구동된다.
상기 분리기는 상기 제1 입구와 제1 분리 스테이지 사이에 결합된 사이클론 분리기를 더 포함할 수 있고, 상기 사이클론 분리기는 제1 입구로부터 수용된 유체를 나선형 흐름을 통해 가속화하여 상기 제1 유체류로부터 오염물을 분리하도록 마련된다.
상기 제1 분리 스테이지는 가변 임팩터 분리기를 포함할 수 있고, 상기 가변 임팩터 분리기의 제1 챔버를 형성하는 내부 튜브는 상기 사이클론 분리기로 하방향으로 연장되어 상기 사이클론 분리기의 와류 탐지기를 형성한다.
본 발명의 제2 관점에 따르면, 크랭크케이스로부터 블로-바이 가스를 수용하도록 마련된 블로-바이 가스 덕트; 및 선행 청구항 중 어느 한 항에 따른 분리기를 포함하는 크랭크케이스 환기 시스템이 제공되고, 상기 제1 입구는 블로-바이 가스 덕트에 결합된다.
상기 펌프는 엔진 흡기 시스템, 차량 배기 시스템에 결합되도록 마련되거나 또는 주위 환경으로 가스를 배출하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 제3 관점에 따르면, 전술한 바와 같은 크랭크케이스 환기 시스템을 포함하는 내연 기관이 제공되고, 상기 제2 입구는 터보차저로부터 유도된 가압 가스류를 수용하도록 마련되고 상기 분리기는 블로-바이 가스로부터 크랭크케이스 오일을 분리하도록 작동가능하다.
본 발명의 추가적인 실시예에 따르면, 유체류로부터 오염물을 분리하기 위한 분리기가 제공되고, 상기 분리기는 혼입된 오염물을 포함하는 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 입구; 직렬로 함께 결합되고, 상기 제1 입구로부터 제1 유체류를 수용하기 위하여 상기 제1 입구에 결합되고, 상기 제1 유체류로부터 오염물을 분리하도록 각각 마련되는 제1 및 제2 분리 스테이지; 및 상기 제2 분리 스테이지에 결합되고, 감소된 압력의 영역을 발생시켜 상기 제1 및 제2 분리 스테이지를 통해 상기 제1 유체류를 흡입하도록 마련되는 펌프를 포함하고, 상기 분리 스테이지 중 하나는 가변 임팩터 분리기를 포함하고, 상기 가변 임팩터 분리기는 상기 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 챔버; 상기 제1 유체류로부터 오염물이 분리되도록 상기 제1 유체류가 구멍을 통해 가속화되고 충돌 면에 입사하도록 마련된 구멍을 통해 상기 제1 챔버에 결합되는 제2 챔버; 및 상기 제1 챔버 내의 유체 압력과 제3 챔버 내의 기준 유체 압력 간의 압력차에 따라 상기 구멍의 개방 영역을 조절하도록 마련된 액츄에이터를 포함하고, 상기 분리 스테이지의 다른 하나는 제2 가변 임팩터 분리기, 필터 매체, 및 상기 제1 입구와 가변 임팩터 분리기 사이에 결합된 사이클론 필터 중 하나를 포함한다.
이제 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 설명할 것이다.
도 1은 폐쇄형 크랭크케이스 환기 시스템을 포함하는 엔진 시스템을 개략적으로 도시하고 있고;
도 2는 크랭크케이스 압력 변화에 대해 가변 반응하도록 마련된 임팩터 분리기를 포함하는 CCV 시스템을 나타낸 단면도이고;
도 3은 도 2의 CCV 시스템 임팩터 분리기의 확대 단면도이고;
도 4는 도 2의 임팩터 튜브의 사시도이고;
도 5는 대안적인 CCV 시스템 임팩터 분리기의 단면도이고;
도 6은 폐쇄 위치에서 도 5의 CCV 시스템 임팩터 분리기의 다이어프램 형성 부품을 나타낸 확대 단면도이고;
도 7은 개방 위치에서 도 5의 CCV 시스템 임팩터 분리기의 다이어프램 형성 부품을 나타낸 확대 단면도이고;
도 8은 각각이 크랭크케이스 압력 변화에 대해 가변 반응하도록 마련된 제1 및 제2 스테이지 임팩터 분리기를 포함하는 본 발명의 제1 실시예에 따른 CCV 분리기의 단면도이고;
도 9는 크랭크케이스 압력 변화에 대해 가변 반응하도록 마련된 제1 스테이지 임팩터 분리기 및 제2 스테이지 매체 분리기를 포함하는 본 발명의 제2 실시예에 따른 CCV 분리기의 단면도이고;
도 10은 각 임팩터 분리기 스테이지의 중량 분리 효율로 2, 3, 4개의 임팩터 분리기를 포함하는 다단식 분리기에 대한 전체 중량 분리 효율의 변동을 도시하고 있고;
도 11은 0.02㎛와 8㎛ 사이의 2010 디젤 엔진으로부터 유도된 블로-바이 가스에 대한 에어로졸 질량 분획 챌린지를 도시하고 있고;
도 12는 단일 스테이지의 가변 임팩터 분리기에 대한 압력차와 분획 분리 효율 간의 상호의존성을 도시하고 있고;
도 13은 120mBar 및 60mBar 가변 임팩터 분리기의 분획 분리 효율, 및 2단 분리기에서 두개의 60mBar 가변 임팩터 분리기 각각의 목표 분획 분리 효율을 도시하고 있고;
도 14는 120mBar 및 60mBar 가변 임팩터 분리기, 및 직렬로 함께 결합된 두개의 60mBar 가변 임팩터 분리기를 포함하는 2단 분리기의 분획 분리 효율을 도시하고 있고;
도 15는 100mBar 및 50mBar 가변 임팩터 분리기, 및 직렬로 함께 결합된 두개의 50mBar 가변 임팩터 분리기를 포함하는 2단 분리기의 분획 분리 효율을 도시하고 있고;
도 16은 무동력형 가변 임팩터 분리기, 펌프 지원형 가변 임팩터 분리기, 저밀도 필터 매체, 및 직렬로 함께 결합된 펌프 지원형 가변 임팩터 분리기와 저밀도 필터 매체의 조합의 분획 분리 효율을 도시하고 있다.
세정된 가스를 엔진 흡기구로 복귀시키는 엔진 블로-바이 가스/오일 분리기의 통상적인 장치는 일반적으로 폐쇄형 크랭크케이스 환기 시스템(CCV 시스템)으로 불리운다. 공지된 CCV 시스템은 엔진 흡기에 의해 발생된 진공의 과도한 부분이 CCV 분리기를 통해 엔진 크랭크케이스로 이동되지 않게 하기 위하여 크랭크케이스 압력 조절기의 사용을 필요로 한다.
도 1을 참조하면, 이는 디젤 엔진(4)에 결합된 통상적인 CCV 시스템(2)의 배치를 도시하고 있다. 상기 엔진 크랭크케이스로부터의 블로-바이 가스는 입구 덕트(6)를 따라 CCV 시스템(2)에 전달된다. 상기 CCV 시스템(2)은 입구 덕트(6) 및 및 오염물 분리기(10)에 직렬로 결합된 조절기(8)를 포함한다. 상기 조절기(8)와 분리기(10)는 도 1에 조합되어 도시되어 있다.
펌프(12)는 (도 1에서 별도로 보이지 않는) 상기 CCV 시스템 내에 선택적으로 제공되어 상기 분리기(10)에 걸쳐 압력 강하를 증가시킬 수 있고, 이에 의해 여과 효율을 증가시킨다. 세정된 블로-바이 가스는 가스 출구(14)를 통해 CCV 시스템에서 유출되어 엔진 흡기 시스템으로 복귀된다. 구체적으로, 상기 엔진 흡기 시스템은 입구(16)를 통해 차량의 외부로부터 공기를 흡입한 후에, 상기 공기는 엔진(4)으로 공급되기 전에 흡입 공기 필터 및 소음기(18), 터보차저(22)에 의해 구동되는(결국 엔진 배기가스(24)에 의해 구동되는) 압축기(20), 및 압축 공기를 냉각시키기 위한 애프터 쿨러(26)를 통과한다. 상기 세정된 블로-바이 가스는 가스 출구(14)로부터 압축기(20)로 전달된다. 상기 블로-바이 가스로부터 분리된 오일 및 다른 오염물은 오일 배수관(28)을 통해 엔진 크랭크케이스로 복귀된다.
도 1의 시스템에서, 상기 터보차저(22)와 공기 필터(18) 사이에 발생된 진공의 일부는 블로-바이 분리기(10)를 통해 손실된다. 상기 조절기(8)는 그 외에 엔진 크랭크케이스로 노출될 수 있는 임의의 남겨진 진공을 제어한다. 상기 터보 압축기(22)에 의해 흡입된 총 공기 흐름은 그 차이가 엔진 공기 필터(18)를 통해 흡입될 수 있으므로 상기 조절기의 폐쇄에 의해 반드시 제한되지 않는 것을 알 수 있다.
이제 도 2를 참조하면, 이는 블로-바이 가스류로부터 액체, 에어로졸, 및 입자 오염물을 분리하기 위한 CCV 시스템의 단면도이다. 상기 분리기는 분리 효율을 최적화하기 위해 블로-바이 가스가 통과하는 구멍의 크기를 자동으로 조절하고 그리고 펌프에 의해 발생된 진공이 시간이 흐르면서 달라짐에 따라 상기 크랭크케이스 내의 압력 변동을 방지하기 위해 일체의 압력 조절 정도를 제공하도록 마련된 가변 임팩터 분리기를 포함한다. 별도의 압력 조절기(8), 분리기(10), 및 펌프(12)를 포함하는 각 부분이 나타나 있다.
상기 조절기(8)는 필요에 따라 블로-바이 가스 흐름을 제한하고 크랭크케이스 압력을 조절하기 위해 개방 또는 폐쇄하도록 마련된 부유식 다이어프램(30)을 포함한다. 블로-바이 가스는 CCV 가스 입구(6)를 통해 제1 조절기 챔버(32)로 유입된다. 챔버(32)는 대략 엔진 크랭크케이스와 같은 압력이다. 상기 다이어프램(30)은 (결국 분리기(10)에 결합되는) 제1 챔버(32)와 제2 챔버(34) 간의 갭을 적어도 부분적으로 폐색한다. 상기 다이어프램(30)의 제1 측부는 챔버(32) 내의 블로-바이 가스에 노출된다. 상기 다이어프램(30)의 제2 측부는 주위 환경으로 개구를 갖는 챔버(36) 내의 주위 가스 압력에 노출된다. 대안적으로, 제3 챔버(36)는 별도의 압력 기준으로 결합될 수 있다.
상기 다이어프램(30)의 이동은 제1 및 제2 스프링(38, 40)에 의해 제어된다. 스프링(38)은 제2 챔버 내에 위치되어 상기 제1 및 제2 챔버(32, 34) 간의 갭을 폐쇄하도록 상기 다이어프램(30)의 이동에 저항한다. 스프링(40)은 제3 챔버(36) 내에 위치되어 상기 제1 및 제2 챔버(32, 34) 간의 갭을 개방하도록 상기 다이어프램(30)의 이동에 저항한다. 스프링(38, 40)의 반응의 조절 및 상기 블로-바이 가스와 주위 가스 압력에 의해 작동되는 다이어프램(30)의 제1 및 제2 측부의 상대적인 크기의 조절은 상기 다이어프램(30)의 이동 비율 및 정도를 제어하는데 사용될 수 있다.
일체형 펌프(12)는 분리기(10)를 통해 블로-바이 가스를 흡입하기 위해 상기 압축기(20)로부터 이용가능한 진공보다 큰 진공을 발생시킴으로써 상기 CCV 시스템(2)의 분리 성능을 향상시킨다. 상세히 후술될 바와 같이, 상기 제1 챔버(32) 내의 압력은 요구 진공을 발생시키기 위한 펌프의 사양에 의해, 그리고 조절기(8) 내에서 적절한 압력 조절 스프링력을 지정하고 분리기(10)의 압력 반응을 지정함으로써 원하는 크랭크케이스 압력으로 조절된다. 상기 제2 챔버(34) 내의 압력은 (분리기(10)의 압력 반응에 따라) 상기 분리기에 걸친 가변 압력 손실 및 상기 펌프(12)에 의해 발생된 진공에 의해 규정된다. 상기 발생된 진공은 압력 성능 곡선 대 선택된 펌프의 흐름을 따르는 작동 지점에 따라 결정된다.
펌프형 CCV 분리기 시스템에 대해 상기 펌프를 통한 흐름이 조절기 다이어프램의 위치에 의해 전체적으로 제한될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 도 2에 도시된 조절기에 대해, 상기 다이어프램(30)이 제1 및 제2 챔버(32, 34)를 분리하는 관형 벽(42)의 단부와 접촉하면, 이때 상기 제1 및 제2 챔버 간의 가스 흐름은 중단된다. 상기 펌프(12)에 따른 효과는 비조절된 변위 펌프가 출력 압력에서 스파이크를 발생시킬 수 있는 펌프 서지의 현상과 유사하다. 대부분 또는 완전히 폐쇄된 조절기로부터 발생하는 제한된 흐름은 펌프 작동 지점을 대응하는 낮은 흐름과 높은 진공 위치로 이동시킨다. 상기 제2 챔버(34)에서 발생된 증가한 진공은 진공 조절 스프링(38, 40)에 작용하는 힘을 더 증가시키고 상기 블로-바이 가스의 흐름은 더 제한된다. 상기 엔진 크랭크케이스에서 정압의 강화에 의해 발생된 다이어프램(30)에 작용하는 큰 힘만이 상기 조절기를 다시 개방할 수 있다. 전술한 바와 같이, 크랭크케이스에서 과도한 압력 강화는 상기 크랭크케이스의 손상 및 오일 유출을 야기할 수 있다. 고압 및 저압 헌팅(hunting)의 폐쇄형 루프 제어 사이클은 상기 조절기와 펌프 사이에서 발생하고, 이는 통상적인 선형 반응 조절기로 제어될 수 없다.
펌프형 CCV 시스템에 대한 고압 및 저압 헌팅의 문제는 다른 형태의 크랭크케이스 환기 시스템 내에서 경험할 수도 있다. 구체적으로, 압력 헌팅은 개방형 크랭크케이스 환기 시스템, 비펌프형 폐쇄 크랭크케이스 환기 시스템, 및 배기가스 펌프형 환기 시스템에서 발생할 수 있다. 더 구체적으로, 통상적인 조절기와 관련된 전술한 문제는 압력 조절기를 포함하는 임의의 시스템에서 발생할 수 있다.
고압 및 저압 헌팅 및 펌프 서지의 문제를 다루는 개선된 조절기가 Parker Hannifin(UK) Ltd의 WO-2011-070341-A1으로서 공표된 분리기 특허 출원의 주제이다. 본 발명의 일부 실시예에 따르면, 상기 CCV 시스템은 WO-2011-070341-A1에 개시된 것과 유사한 형태의 압력 조절기를 구현하는 임팩터 분리기를 포함할 수 있다.
펌프(12)는 분리기(10)를 통해 오염된 블로-바이 가스를 흡입하기 위하여 낮은 가스 압력의 영역을 발생시키는 역할을 한다. 본 발명의 일부 실시예에 따른 펌프(12)는 제트 펌프의 일종으로 고려될 수 있다. 분리기와 결합한 유사한 제트 펌프가 WO-2009-037496-A2에 개시되어 있다. 상기 펌프(12)로의 제1 입구(50)는 여기에서 부스트 가스로 불리우는 가압 가스의 공급원을 수용한다. 상기 부스트 가스는 터보차저(22) 또는 배기가스와 같은 가압 가스의 임의의 다른 공급원에 의해 제공될 수 있다. 상기 부스트 가스는 부스트 가스 입구로 유입하는데 고속일 필요가 없다. 상기 부스트 가스는 압력에 영향을 받지만 정적일 수 있다. 선택적으로, 상기 부스트 가스는 배기가스 또는 터보차저로부터 얻을 수 있고 상기 부스트 가스 입구로 전달되기 전에 별도의 유지 챔버나 수집기에 저장될 수 있다.
부스트 가스는 부스트 가스 입구(50)를 통해 펌프로 유입된다. 터보차저 엔진에서 사용될 때, 상기 부스트 가스는 흡기 매니폴드와 같은 가압 가스의 공급원으로부터 유도될 수 있다. 대안적으로, 상기 가압 가스는 터보차저로부터 직접 유도될 수 있지만, 이러한 단계에서 상기 터보차저 가스가 (대안적으로, 인터쿨러로 불리우는) 열교환기를 통과함에 따라 상기 흡기 매니폴드로부터 공기를 유도하는 것이 바람직하고, 이에 따라 약 180-200℃ 내지 50-60℃로부터 냉각된다. 냉각기를 이용하여, 부스트 가스는 상기 분리기가 이러한 고온에 대해 저항할 필요가 없는 저비용 재료로 형성되게 한다. 대안적으로, 상기 터보차저 전 또는 후로부터 유도된 배기가스는 부스트 가스로서 사용될 수 있다. 상기 부스트 가스는 통상적으로 1Bar 절대 압력과 4Bar 절대 압력 사이에 있다(대기압보다 높은 3Bar까지).
상기 부스트 가스는 노즐(52)을 통과하여, 상기 부스트 가스를 가속화시킨다 (그리고 그 결과로 압력 감소를 야기한다). 상기 노즐(52)은 수렴 노즐로 형성된다. 특히, 상기 노즐은 본 기술 분야에서 잘 알려진 디-라발(de-Lavaal) 노즐과 같은 수렴-발산 노즐일 수 있다. 제한된 중앙부를 갖는 임의의 노즐을 포함하는 다른 적절한 노즐 형상이 공지되어 있다. 상기 부스트 가스는 고속, 예를 들어 100-500m.s-1 사이의 속도로 가속화되고, 상기 부스트 가스는 노즐(52)의 영역에서 적어도 마하 1을 초과한다. 수렴 노즐은 부스트 가스를 매우 고속으로 유리하게 가속화시키고, 그 결과 상기 블로-바이 가스를 혼입하여 상기 블로-바이 가스를 고속으로 가속화시킨다. 상기 노즐은 감소된 압력의 영역을 발생시켜 상기 블로-바이 가스를 흡입하도록 마련된다.
그 결과에 따른 고속 부스트 가스 제트는 챔버(54)로 전달된다. 상기 고속 부스트 가스 제트는 노즐(52)의 부근에서 상기 챔버(54) 내에 감소된 압력의 영역을 발생시킨다. 압력은 외부 대기압에 대해 300mBar까지만큼 감소된다. 이러한 가용 압력의 감소 규모는 엔진이 새로운 엔진의 성능과 관련하여 마모함에 따라 블로-바이 가스 유동 속도의 상당한 증가를 수용하기 위해 필요하다. 상기 엔진의 구성요소가 마모함에 따라, 특히 상기 피스톤이 밀봉되어 블로-바이 가스의 생성 속도를 증가시킴에 따라, 상기 가변 임팩터 분리기는 구멍의 개방 영역을 증가시켜 블로-바이 가스의 큰 용적이 통과하게 하고, 이에 의하여 상기 크랭크케이스 내의 압력을 소정의 한계 내로 유지시킨다. 그 효과는 마모된 엔진에 대해 외부 대기압에 대한 챔버(54) 내의 압력 감소가 약 150mBar로 낮아질 수 있다. 이러한 압력 감소는 상기 분리기(10)로부터의 세정된 블로-바이 가스가 챔버(54)로 흡입되게 한다. 조절기(8)로부터 분리기(10)를 통한 블로-바이 가스의 통과를 아래에서 설명한다. 블로-바이 가스는 챔버(54)로 흡입된다. 상기 블로-바이 가스 흐름은 부스트 가스에 의해 혼입되고 가속화되어, 상기 부스트 가스와 혼합하여 상기 부스트 가스의 속도에 접근하도록 가속화한다.
상기 부스트 가스 노즐(52)과 환형 블로-바이 가스 입구(54)는 일반적으로 본 기술분야에서 알려진 바와 같이 제트 펌프의 형태로 구성된다. 상기 조합된 가스류는 디퓨저 튜브(110)로 전달된다. 상기 블로-바이 가스의 충분한 혼입 및 가속화를 달성하기 위하여, 상기 디퓨저 튜브(110)의 직경은 부스트 가스 노즐(52)의 임계 직경(통상적으로, 최소 직경)보다 2 내지 5배 큰 사이에, 바람직하게는 3 내지 4배 큰 사이에 있는 것이 바람직하다. (대안적으로, 노즐의 스로트(throat)로 불리우는) 상기 임계 직경의 위치는 노즐 설계의 기술분야에서 알려진 바와 같이 공기역학적 효과로 인해 상기 노즐의 가장 협소한 지점으로부터 달라질 수 있다.
상기 디퓨저 튜브는 일반적으로 실린더로서 형성되지만, 측벽은 그 길이의 전체가 직선일 필요는 없다. 상기 측벽은 노즐(52)로부터 먼 튜브의 단부를 향해 외측으로 테이퍼질 수 있다. 이러한 테이퍼링은 흐름 방향을 제어하고 상기 조합된 가스 흐름의 혼합에 도움을 준다.
상기 오염된 블로-바이 가스는 크랭크케이스의 밖으로 그리고 분리기를 통해 활발하게 이동되어 상기 크랭크케이스 압력의 제어를 가능하게 한다. 상기 크랭크케이스 내의 압력은 외부 대기압에 대해 +/- 50mBar 이내로 통상적으로 제어되면서, 대기압에 대한 압력차는 전술한 바와 같은 조절기(8)에 의해 제어된다. 챔버(32) 내의 크랭크케이스 압력으로부터 챔버(54) 내의 저압으로의 압력 강하는 후술될 바와 같이 분리기(10) 내에서 고효율 분리를 가능하게 한다.
본 명세서에서 설명된 펌프의 기본 형태가 도 2에 도시된 바와 같이 제트 펌프이지만, 전기 펌프와 같은 다른 공지된 형태의 펌프가 분리기(10)에 걸쳐 요구되는 압력 강하를 달성하기 위하여 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 펌프(12)에 의해 발생되는 분리기(10)에 걸친 압력 강하는 과도하게 높은 크랭크케이스 압력을 야기하지 않고 상기 분리기(10)의 고압 차이를 극복한다. 즉, 상기 펌프(12)에 의해 야기되는 압력 감소 때문에, 상기 블로-바이 가스는 더 높은 효율적인 분리를 발생시키는 작은 충돌 갭을 통해 흡입될 수 있다.
상기 블로-바이 가스가 조절기(8)를 통해 챔버(34)로 전달된 후, 상기 가스는 대체로 화살표(62)로 나타낸 경로를 따라 사이클론 사전 분리기(61)를 통해 분리기 입구 튜브(60)로 흡입된다. 상기 사이클론 사전 분리기(61)는 대체로 원뿔형이고 상기 블로-바이 가스는 조절기(8)로부터 입구를 통해 사이클론의 일측을 향해 유입된다. 상기 분리기 입구 튜브(60)는 하방향으로 사이클론(61)으로 돌출하고 상기 사이클론에 대한 와류 탐지기로서 역할을 한다. 상기 사이클론 기류는 오염물이 사이클론(61)의 벽에 충돌되게 하고, 상기 블로-바이 가스가 입구 튜브(60)를 통해 상방향으로 흡입되면서 상기 오염물의 일부는 블로-바이 가스로부터 분리되어 오일 배수관(28)을 향해 하방향으로 흐른다.
상기 분리기 입구 튜브(60)는 그의 상단에서 다이어프램(64)에 의해 부분적으로 폐쇄된다. 그리고 나서, 상기 블로-바이 가스는 하나 이상의 슬롯(66)을 통과하여 환형 충돌 면(68)에 입사된다. 충돌 면(68)에서 상기 블로-바이 가스로부터 분리된 오일 및 다른 오염물은 중력을 받아서 상기 분리기 입구 튜브(60)를 둘러싸는 오일 섬프(70)로 흐른 후에 상기 사이클론(61)으로 그리고 상기 사이클론(61)의 측면을 따라 하방향으로 체크 밸브(72)를 통해 오일 배수관(28)으로 흐른다. 부가적으로, 조절기(8) 내에서 상기 블로-바이 가스로부터 미리 분리된 오일은 오일 섬프(70)로 흐를 수도 있다. 배수관(28)으로부터의 오일은 크랭크케이스로 복귀된다.
이제, 도 3을 참조하여 설명될 바와 같이, 상기 분리기(10)는 블로-바이 가스 입구 압력과 출구 압력 간의 차이에 응답하여 분리 효율을 증가시키도록 의도된 것으로 가변 임팩터 분리기인 것으로 고려될 수 있다.
오염된 엔진 크랭크케이스 블로-바이 가스는 화살표(62)의 경로를 따라 분리기 입구 튜브(60)로 유입된다. 상기 입구 튜브(60)의 상단은 다이어프램(64)에 의해 환형 충돌 챔버(80)로부터 분리된다. 다이어프램(64)은 튜브(60)의 상단을 향해 또는 이로부터 이동함에 따라 튜브(60)의 상단과 반경방향 밀봉체를 형성할 수 있거나 또는 상기 다이어프램(64)은 튜브(60)와 완전히 접촉하지 않도록 마련될 수 있다. 또한, 다이어프램(64)은 챔버(82)로부터 튜브(60)의 내측을 분리시킨다. 챔버(82)는 CCV 시스템의 외측에 연결되는 공기 입구(미도시)에 의해 대기압으로 유진된다. 상기 튜브(60)의 외측은 대략 엔진 크랭크케이스와 같은 압력이어서, 조절기(8)에 걸쳐 임의의 압력 차이를 가능하게 한다.
블로-바이 가스는 상기 튜브의 상단에서 개방된 하나 이상의 수직 슬롯(66)을 통해 상기 충돌 챔버(80)로 전달된다. 상기 슬롯(66)의 형태는 도 4의 사시도를 통해 더 명확하게 이해될 수 있다. 상기 슬롯(66)의 크기 및 개수는 가변 임팩터 분리기 시스템에 걸쳐 최소의 차분 압력 강하를 결정한다. 이러한 압력 강하는 CCV 시스템의 분리 효율과 직접적으로 관련된다. 180°회전을 이루는데 있어서 반경방향 가속으로 인한 오일 입자의 충돌 및 분리는 다이어프램 면과 충돌 면(68)의 양자에서 일어난다. 상기 충돌 면은 매체를 통한 통과로서 작용하기보다는 오히려 외벽 상에 유적 복구의 공동 효율을 향상시키기 위하여 상기 슬롯(66)과 상반되는 재료로 커버될 수 있다. 상기 충돌 면을 커버하는 매체는 오염물의 재혼입을 감소시키는 역할을 한다. 그리고 나서, 전술한 바와 같이, 상기 충돌 면(68)에서 블로-바이 가스로부터 분리된 오일은 중력을 받아서 오일 섬프(70)로 그리고 결국 오일 배수관(28)으로 흐른다.
상기 가스류는 충돌 면에 의해 편향된 후에 상기 섬프를 향해 하방향으로 흐른다. 그리고 나서, 화살표(56)로 도 2에 나타낸 바와 같이, 배플에 의해 상방향으로 흐르도록 전환된다. 상기 배플은 도 2에 도시되어 있고, 상기 분리기 입구 튜브(60)의 벽에 근접한 상기 배플의 내부 에지에서 오일용 배수관과 함께 필터의 외벽을 향해 상방향으로 경사져 있다. 상기 배플은 하우징의 외벽에 근접한 상기 배플의 외부 에지를 향하는 오일용 배수관과 함께 상기 필터의 외벽을 향해 하방향으로 경사지는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 방식으로, 상기 배플 위로 흐르는 가스류는 상기 배플의 표면에 오일을 촉진하는데 도움을 주어 상기 배수관을 향해 외측으로 흐르게 할 수 있어서, 상기 섬프로 배수된다.
충돌 챔버(80)의 하류에 연결된 제트 펌프(12)는 가변 임팩터 분리기의 압력 강하를 극복하는데 사용된다. 그러므로, 달성가능한 분리 성능은 통상적인 무동력형 임팩터 시스템과 마찬가지로 더 이상 제한되지 않는다. 동시에, 대기압에 가까운 허용가능한 크랭크케이스 압력이 유지될 수 있다.
엔진 부하, 속도, 또는 엔진 제동 조건이 변화함에 따라, 상기 제트 펌프(12)에 의해 발생된 진공 및 상기 분리기(10)를 통과하는 블로-바이 가스의 용적의 양자가 변화한다. 상기 제트 펌프(12)에 의해 발생된 가변 진공 조건에 따라 허용가능한 크랭크케이스 압력을 유지하기 위하여, 상기 다이어프램(64)은 튜브(60)의 상부와 슬롯(66)의 개방단 위의 다이어프램(64) 간의 갭을 개폐하도록 허용된다. 상기 챔버(82)는 대기압으로 유지되고, 이에 따라 상기 다이어프램 상의 임의의 순 정압은 상기 튜브(60)의 단부 위의 환형 갭을 생성하거나 넓히는 것을 시작하게 할 것이고, 이는 상기 분리기(10)에 걸쳐 압력 강하를 감소시킨다. 순 진공이 상기 제트 펌프에 의해 발생되자마자, 상기 다이어프램은 완전히 폐쇄되어(전술한 바와 같이, 상기 다이어프램(64)이 튜브의 상부와 접촉하게 할 수 있거나 또는 갭이 보존될 수 있음), 상기 분리기(10)가 최대 분리 효율로 작동하게 한다. 상기 분리기(10)의 압력차는 조절되고 크랭크케이스 압력은 조절 스프링(84)의 사양에 따라 정밀하게 조절될 수 있다. 스프링(84)은 튜브(60) 내의 지지체(86)와 중앙 부분(88)에서 부착되는 다이어프램(64) 사이에서 연장된다. 부가적으로, 제2 조절 스프링이 챔버(82)에 제공되어 정압을 제어하기 위하여 다이어프램(64)의 대향 측에 작용할 수 있다.
도 2 내지 4에 따라 전술한 상기 CCV 시스템은 크랭크케이스 압력을 제어하도록 마련된 압력 조절기(8) 및 임팩터 분리기(10)를 포함한다. 대안적으로, 상기 분리기(10)에는 구체적으로 선택된 단면적을 갖는 슬롯을 구비함으로써 달성되는 블로-바이 가스 압력과 대기압 간의 압력차에 따라 개방 단면적의 적절한 변동을 제공하도록 형성된 하나 이상의 슬롯(66)이 제공될 수 있다. 이는 압력 조절기(8)에 부가하여 또는 이를 완전히 대체함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 가변 슬롯을 포함하는 분리기(10)가 도 5에 도시되어 있다.
도 5는 가변 임팩터 분리기 내에 펌프 서지 방지 조절기의 기능을 포함하는 분리기(10)를 도시하고 있다. 상기 다이어프램(64)은 크랭크케이스 압력을 조절하고 펌프 서지의 현상을 제어하기 위하여 가변 슬롯 프로파일의 구멍을 정밀하게 조절하는데 사용되는 롤링 다이어프램을 포함한다. 구체적으로, 상기 다이어프램(64)은 조절기 스프링(84)에 결합하도록 마련된 중앙부(100)를 포함한다. 도 2 및 3의 실시예에 대해 설명하면, 대기압 기준 챔버(80) 내에 제2 조절기 스프링이 있을 수 있다. 상기 다이어프램(64)은 대안적으로 롤링 컨벌류트로 불리우는 환형 롤링부(102)를 더 포함하고, 상기 환형 롤링부(102)는 중앙부(100)가 상하로 이동함에 따라 슬롯(66)을 점진적으로 가리거나 드러낸다. 도 2에서와 같이, 도 5의 분리기는 가변 임팩터 분리기에 도달하기 전에 상기 블로-바이 가스 내의 오염물의 일부를 분리하는 사전 사이클론 분리기(61)를 포함한다. 도 2의 분리기에 대해 설명하면, 상기 블로-바이 가스는 사이클론(61)의 일측을 향해 입구를 통해 상기 사이클론(61)으로 유입되고 상기 분리기 입구 튜브(60)는 사이클론(61)으로 하방향으로 돌출하여 상기 사이클론 와류 탐지기로서 역할을 하고, 이에 따라 상기 블로-바이 가스는 대체로 화살표(62)의 경로를 따라 입구 튜브(60)로 흐른다.
상기 롤링 다이어프램(64)은 펌프(12)로부터 이용가능한 진공 압력에 따라 상기 임팩터 분리기(10)의 성능을 최적화하는데 사용될 수 있다. 가용 진공이 증가함에 따라, 상기 다이어프램(12)은 폐쇄되고, 이에 따라 대기압이 분리기로의 입구 압력에 의해 동등하게 될 때까지 상기 임팩터(10)에 걸쳐 속도, 분리 성능, 및 압력차를 증가시킨다. 일반적으로, 슬롯(66)은 도시된 바와 같이 만곡될 수 있는 테이퍼링 슬롯을 포함한다. 상기 다이어프램(64)을 향해, 슬롯(66)은 펌프(12)로부터 이용가능한 진공의 감소의 경우에 블로-바이 가스의 큰 흐름에 대비하도록 상당히 넓어지고, 이에 의하여 상기 크랭크케이스 압력이 허용가능하지 않게 상승하는 것을 방지한다.
도 6은 일반적으로 폐쇄 위치에서의 다이어프램(64)을 도시하고 있지만, 상기 다이어프램이 하방향으로 더 이동할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 슬롯의 바닥인 협소부만이 노출되고 가스가 이를 통해 흐르도록 이용가능하다. 도 7에서, 상기 다이어프램(64)은 거의 완전 개방 위치에 있지만, 상기 다이어프램이 상방향으로 더 이동할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 넓은 상부를 포함하는 상기 슬롯의 더 큰 부분이 노출되고 가스가 이를 통해 흐르도록 이용가능하다. 완전히 커버되지 않은 경우, 상기 슬롯(66)은 좁은 테이퍼링 하부 및 상당히 넓은 상부를 갖는 것으로 보일 수 있다. 상기 슬롯(66)의 협소부는 펌프 서지 조건에 대응하도록 요구되는 정밀 압력 제어 기능을 생성하도록 의도된다. 상기 다이어프램(64)이 하강되는 경우, 최소 개방 영역은 상기 분리기(10)에 걸쳐 높은 압력차 및 가용 펌프 진공을 위한 최적의 임팩터 성능을 부여한다. 상기 다이어프램(64)이 상승되는 경우, 상기 슬롯(66)의 큰 상부 영역은 마모된 엔진에서 경험될 수 있는 것과 같은 높은 흐름 조건 하에서 또는 엔진 제동 하에서 크랭크케이스 압력을 조절하도록 부합된다. 상기 다이어프램은 그의 하방향 이동의 가장 먼 정도에서 상기 슬롯(66)을 완전히 가리거나, 또는 상기 슬롯의 적어도 일부가 개방된 채 남아 있게 하도록 마련될 수 있다. 상기 스프링 또는 각 스프링의 반응의 조절 및 상기 다이어프램(64)의 제1 및 제2 측부의 상대적인 크기의 조절이 상기 블로-바이 가스에 의해 작동되면, 상기 주위 가스 압력과 펌프 진공은 다이어프램(64)의 이동 속도 및 정도를 제어하는데 사용될 수 있다.
슬롯(66)은 가변 섹션 임팩터 슬롯을 포함한다. 이동함에 따라 상기 다이어프램에 의해 노출되는 상기 슬롯(66)의 개방 영역의 변화는 블로-바이 가스류로부터 입자의 분리 측면에서 그리고 또한 크랭크케이스 압력의 제어를 위해 모두 이점을 갖는다. 상기 블로-바이 가스류는 동일한 속도로 이동하지만 그의 상이한 크기 및 질량으로 인해 상이한 모멘텀을 갖는 입자 크기의 범위를 포함한다. 높은 모멘텀을 갖는 무거운 입자는 상기 슬롯의 넓은 부분을 통해 상기 튜브의 상부를 향해 유출된다. 가벼운 입자는 상기 튜브에서 슬롯보다 낮은 아래로 유출된다. 상기 슬롯이 바닥에서 더 작아짐에 따라, 가벼운 입자는 더 고속으로 가속화되고, 이에 의하여 그의 모멘텀을 증가시킨다. 바람직하게, 이는 작은 입자와 큰 입자 간의 모멘텀 차이를 감소시켜서 (크랭크케이스 압력의 증가를 야기할 수 있는) 구멍 크기를 제한하지 않고 작은 입자와 큰 입자 간의 분리 효율의 차이의 감소를 가능하게 한다.
또한, 상기 가변 섹션 임팩터 슬롯은 분리기에 걸쳐 압력 제어를 향상시킨다. 상기 다이어프램이 상승되고 상기 슬롯의 넓은 상부 섹션이 노출되는 경우, 이는 허용 한계 내에서 상기 분리기에 걸쳐 압력차(이에 따른 상기 블로-바이 가스의 입구 압력 및 크랭크케이스 압력)를 유지하면서 높은 용적의 블로-바이 가스 조건을 수용할 수 있는 큰 구멍 크기를 가능하게 한다. 상기 다이어프램이 낮은 흐름 조건 하에서 낮아지는 경우, 상기 슬롯의 하부 섹션의 감소된 개방 영역은 분리기에 걸쳐 압력차를 증가시키고, 이에 의하여 부압이 (대기압과 관련하여) 크랭크케이스에서 발생되는 것을 방지한다. 상기 구멍의 단면적의 변화는 상기 다이어프램의 선형 이동에 대한 비선형 압력차를 제공하고, 이는 상기 분리기에 걸쳐 압력차의 향상되고 제어가능한 조절을 가능하게 한다.
상기 다이어프램(64)의 이동은 상기 펌프에 의해 제공된 가용 압력 강하가 크랭크케이스 압력을 소정 한계 아래로 강하시키지 않고 오염물 분리를 달성하는데 효율적으로 사용되게 한다. 이는 구멍의 개방 영역이 급격하게 변화되지 않는 도 3의 분리기에 대한 향상이다. 도 3의 분리기에 대한 효과는 상기 펌프에 의해 발생된 진공의 일부가 상기 구멍을 통해 퍼지하는 점으로, 상기 크랭크케이스 압력을 제어하기 위해 별도의 조절기를 필요로 한다. 도 5 내지 7의 분리기에 의해 제공된 압력 제어의 향상은 상기 CCV 시스템으로의 블로-바이 가스 입구에서 별도의 압력 조절기가 일부 실시예에서 생략되게 한다. 상기 슬롯의 정밀한 형상은 크게 달라질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 상기 슬롯은 튜브(80)의 주위로 연장되는 나선형일 수 있다. 상기 나선형 슬롯은 다이어프램의 주어진 이동을 위한 구멍의 단면적에 적절한 비선형 반응을 제공하기 위하여 그의 폐쇄 단부에서 테이퍼링 전에 그의 길이의 적어도 일부에 대해 대체로 일정한 폭일 수 있다. 상기 튜브를 따라 상방향으로 연장되는 하나 이상의 슬롯을 대신한 대안적인 실시예에서, 상기 다이어프램에 의해 가려지거나 드러내어지는 튜브의 벽을 통한 다수의 별도의 폐쇄 구멍이 있을 수 있다. 예를 들어, 나선형 슬롯 대신에, 나선을 따라 배열된 구멍 열이 있을 수 있다. 상기 구멍의 크기는 나선의 길이를 따라 달라질 수 있다.
상기 다이어프램(64)은 슬롯(66)을 통해 블로-바이 가스의 흐름을 제어하도록 마련된 액츄에이터를 포함한다. 슬롯(66)은 관형 벽(60)으로 절삭된다. 상기 관형 구조체(60)와 결합한 슬롯(66)은 블로-바이 가스가 흐를 수 있는 개방 영역을 형성한다. 상기 슬롯(66)의 형상은 상기 슬롯에 걸쳐 압력차가 펌프에 의해 발생된 흐름 속도 및 진공 특성에 적합하도록 마련된다. 상기 슬롯(66)의 형상을 제어함으로써, 펌프 진공의 임의의 변화, 대기압과 크랭크케이스 압력, 및 상기 다이어프램에 의해 이동되는 대응 거리 간의 선형 또는 비선형 관계가 달성될 수 있다. 더 구체적으로, 정속으로의 상기 다이어프램(64)의 이동이 상기 슬롯의 개방 영역에서 비선형 반응을 발생시키도록 상기 슬롯(66)의 형상이 선택될 수 있다. 효율적인 임의의 폐쇄형 루프 제어 기능이 상기 펌프로부터 주어진 입력에 따라 상기 다이어프램(64)에 의해 발생될 수 있다. 더 정확한 크랭크케이스 압력 조절이 통상적인 분리기 및 조절기의 장치에 비해 달성될 수 있다. 또한, 상기 크랭크케이스 압력의 조절이 분리기와 조합됨으로, 부가적인 압력 조절기를 제공할 필요가 없을 수 있다. 상기 분리 효율은 블로-바이 가스의 흐름을 정확하게 제어함으로써 증가된다.
도 5의 슬롯(66)에 대해, 다이어프램(64)이 하방향으로 이동함에 따라, 상기 슬롯의 개방 영역의 감소율이 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 상기 슬롯(66)이 그의 폐쇄 단부를 향해 테이퍼지기 때문이다. 다이어프램(64)의 이동은 상기 개방 영역이 완전히 폐쇄되지 않게 하기 위해 제한될 수 있다.
상기 슬롯(66)의 형상이 원하는 폐쇄형 루프 제어 기능을 달성하기 위하여 상당히 달라질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 예를 들어, 상기 슬롯은 그의 폐쇄 단부를 향해 넓어질 수 있고, 일정한 폭일 수 있거나, 또는 초기에 테이퍼져서 확대부로 끝나게 되어 상기 개방 영역의 완전한 폐쇄를 방지할 수 있다. 또한, 상이한 크기 및 형상의 다수 슬롯이 관형 벽 주위에 제공될 수 있다. 상기 다이어프램(64)의 이동이 슬롯을 가리거나 드러내는 방식은 달라질 수 있다는 것은 당업자에게 더 명백할 것이고, 상기 롤링 컨벌류트에 대한 대안은 첨부된 청구범위 중 일부의 범위 내에 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명의 청구범위가 가변 임팩터 분리기 스테이지를 명시하는 경우, 이는 제1 챔버와 제2 챔버가 하나 이상의 슬롯에 의해 함께 결합되고 상기 슬롯 또는 각 슬롯의 개방 영역이 다이어프램의 위치 또는 상기 제1 및/또는 제2 챔버 내의 가스와 외부 압력 기준 간의 압력차에 따라 그 위치를 조절하는 다른 가동 액츄에이터에 따라 변화되도록 마련되는 조절기를 포함하는 임의의 가변 분리기를 커버하도록 고려될 수 있다.
본 명세서에서 가변 분리기는 CCV 시스템의 일부로서 사용되는 것으로 주로 설명되었다. 그러나, 가변 분리기가 더 널리 적용가능할 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다. 더 일반적으로, 이러한 분리기는 유체류로부터 오염물을 여과하는데 필요하고 외부 압력과 관련하여 제1 챔버와 제2 챔버 사이에서 유체에 대한 압력 강하를 조절하는 것이 바람직한 임의의 응용분야에서 사용될 수 있다. 통상적으로, 상기 유체는 가스일 것이다. 본 발명에 따른 분리기는 전술한 펌프 서지의 영향 및 압력 헌팅을 제거하거나 완화하기 위하여 펌프 시스템에서 특정 이점을 갖는다.
전술한 바와 같은 분리기는 95-98% 범위에서 중량 분리 효율을 제공하는 것으로 관찰되었다. 이러한 분리기는 통상적으로 50-1500l/min의 블로-바이 가스 흐름으로 작동하는 폐쇄형 루프 시스템에서 블로-바이 가스로부터 오염물을 여과하는데 적용될 수 있다. 엔진의 터보차저로부터 유도된 부스트 가스를 이용할 때에 노즐(52)을 통한 부스트 가스의 흐름은 엔진 성능에 무시할만한 영향을 갖도록 통상적으로 총 엔진 가스 흐름의 1%보다 작게 이루어진다.
본 출원의 발명자는 적어도 하나의 분리 스테이지가 펌프와 결합한 전술한 바와 같은 가변 임팩터 분리기를 포함하는 다수의 분리 스테이지를 이용함으로써 분리 효율의 추가적인 향상을 얻을 수 있는 것을 확인하였다. 펌프 형태의 외부 에너지 공급원을 갖지 않는 분리기에 대해, 분리기를 직렬로 함께 결합함으로써 분리 효율의 상당한 증가가 없다는 것이 알려져 있다. 그러나, 본 발명의 발명자는 상기 분리기를 통해 블로-바이 가스를 흡입하기 위하여 펌프, 예를 들어 제트 펌프를 제공함으로써, 엄격한 배기가스 입법에 의해 제시된 과제를 충족하면서 동시에 펌프 동력 소모를 최소화하기 위하여 요구되는 정도로 중량 분리 효율을 증가시키기 위한 다수의 분리 스테이지를 사용할 수 있다는 것을 확인하였다. 직렬로 함께 결합된 다수의 동력형 가변 임팩터 분리기 또는 필터 매체와 직렬로 된 동력형 가변 임팩터 분리기는 허용 한계 내에서 크랭크케이스 압력을 유지하면서 동일한 동력의 펌프에 의해 구동되는 단일 스테이지 가변 임팩터 분리기보다 높은 중량 효율을 수득하도록 구체적으로 설계될 수 있다. 펌프에 의해 제공되는 부가적인 원동력 없이, 직렬로 결합된 일련의 임팩터는 디젤 엔진 블로-바이 에어로졸의 분리에 적용될 때에 중량 분리 효율의 요구되는 향상을 수득할 수 없다는 것이 발견되었다. 펌프의 적용은 각 분리 스테이지의 분획 분리 효율을 엔진의 에어로졸 챌린지 분포의 사양으로 최적화하여 중량 분리 효율의 전체적인 향상을 가져온다.
분리기의 분획 분리 효율은 입자 크기의 함수로서 측정되는 분리 효율이다. 다단식 분리기에 대해, 각 분리 스테이지에 요구되는 분획 분리 효율은 특정 입자 챌린지 분포에 대한(즉, 블로-바이 가스에서의 입자 크기의 주어진 분포에 대한) 동일한 중량 효율을 달성하기 위하여 단일 스테이지 임팩터의 동등한 분획 분리 효율과 비교될 수 있다. 예를 들어, 100mBar의 전체 차이를 제공하는 펌프 분리기에 대해, 전술한 유형의 단일 100mBar 가변 임팩터의 블로-바이 가스에 의해 제시된 입자 챌린지를 충족하기 위해 요구되는 분획 분리 효율이 산출될 수 있다. 직렬로 결합된 두개의 50mBar 가변 임팩터 분리기에 요구되는 분획 분리 효율이 산출될 수 있다. 본 발명자는 각 50mBar 가변 임팩터 분리기에 요구되는 분획 분리 효율이 전술한 도 2 내지 7에 따라 구성된 50mBar 가변 임팩터 분리기에 대해 측정되는 분획 분리 효율과 상응하거나 또는 이보다 낮다는 것을 확인하였다. 즉, 단일 분리기 대신에 두 분리 스테이지에 걸쳐 상기 펌프로부터 이용가능한 압력차를 분할함으로써, 상기 중량 분리 효율은, 예를 들어 95%에서 99% 이상으로 향상될 수 있다. (생성된 블로-바이 가스의 용적 및 블로-바이 가스 내의 오염물의 조성을 포함하는) 우세한 엔진 조건에 따라, 상기 중량 분리 효율은 100%에 이를 수 있다. 지금까지 확인된 이러한 유의미한 결과는 앞으로 높은 분획 분리 효율 및 전체의 중량 효율이 전술한 가변 임팩터 분리기를 구성하기 위한 동일한 기술을 이용하여 달성되게 한다. 다단식 분리기가 이러한 향상을 제공할 수 있는 방법에 대한 상세한 수학적 설명은 도 10 내지 15를 참조하여 아래에서 주어진다.
본 발명의 실시예에 따르면, 도 2 내지 7에 도시된 바와 같은 가변 임팩터 분리기는 제2 분리 스테이지(및 하나의 부가적인 분리 스테이지보다 선택적으로 많은 스테이지)와 조합될 수 있다. 상기 제2 분리 스테이지는 도 8에 도시된 바와 같이 제2 유사 가변 임팩터 분리기일 수 있다. 대안적으로, 상기 제2 분리 스테이지는 도 9에 도시된 바와 같이 매체 분리기일 수 있다. 어떠한 시나리오에서도, 둘 이상의 스테이지 분리기는 도 2 및 5에 도시된 슬롯의 사전 사이클론을 포함할 수도 있다.
도 8을 참조하면, 이는 본 발명의 제1 실시예에 따른 분리기를 도시하고 있다. 상기 분리기는 사이클론 사전 필터(200), 제1 가변 임팩터 분리 스테이지(202), 및 이덕터 펌프(204)를 포함하고, 그 각각은 도 5의 사이클론 사전 필터(61), 분리기(10), 및 제트 펌프(12)와 대체로 동일하므로 여기에서는 다시 충분히 설명하지 않을 것이다. 그러나, 도 5의 분리기와 다른 점은 상기 제1 가변 임팩터 분리 스테이지(202)와 제트 펌프(204) 사이에 제2 가변 임팩터 분리 스테이지(206)가 있다는 점이다. 상기 제2 가변 임팩터 분리 스테이지(206)는 제1 가변 임팩터 분리 스테이지(202)와 대체로 동일하지만, 상이한 스프링 반응률을 갖는 스프링의 사용에 의해 전체의 분획 및 중량 분리 효율을 더 증가시키도록 최적화될 수 있다. 특히, 상기 제2 스테이지(206)에서 스프링에 대한 스프링 반응률은 전체의 중량 분리 효율을 최적화하기 위하여 상기 제트 펌프(204)에 의해 발생된 진공의 일부를 상기 제2 스테이지(206)를 통해 퍼지하여 상기 두 분리 스테이지 사이에서 진공에 의해 발생된 가용 압력차의 분할이 각 분리 스테이지의 분획 분리 효율을 조절하기 위해 미세 조율되도록 선택될 수 있다. 블로-바이 가스는 제트 펌프(204)에 의해 분리기를 통해 흡입되어 상기 블로-바이 가스가 가스 출구(210)를 통해 배출되기 전에 입구(208)로부터 상기 사이클론 사전 필터(200) 및 제1 및 제2 가변 임팩터 스테이지(202, 206)를 순차적으로 통과하여 전달된다.
도 5의 분리기에 대해 설명하면, 각 가변 임팩터 분리기 스테이지(202, 206)는 임팩터 분리기 내에 펌프 서지 방지 조절기의 기능을 포함한다. 각 분리기 스테이지(202, 206)는 도 5의 분리기와 기능적으로 동등하고, 롤링 다이어프램(212)에 기반을 두고, 상기 롤링 다이어프램(212)은 가변 슬롯 프로파일의 구멍을 정밀하게 조절하는데 사용되어 펌프(204)로부터 이용가능한 진공 압력에 따라 크랭크케이스 압력을 조절하고 분리 효율을 최대화하여 튜브(214)의 내부와 튜브(214)를 둘러싸는 환형 챔버 간의 구멍의 개방 영역을 변화시킨다. 상기 다이어프램(212)은 제트 펌프(204)에 의해 발생된 과도 진공 조건으로 임팩터 압력 강하와 지속적으로 부합한다. 그러나, 상기 다이어프램(212)과 결합하여 각 분리 스테이지용 구멍을 형성하는 슬롯(216)의 형상은 도 5에 도시된 것과 다르다. 구체적으로, 각 슬롯(216)은 튜브(214)의 적어도 일부 둘레에 나선형으로 감겨져서 튜브(60)의 축을 따르는 다이어프램(212)의 이동이 상기 구멍의 개방 영역의 보다 급격한 변화를 일으킨다. 도 5의 슬롯(66)에 대해 설명하면, 각 가변 임팩터 분리기(202, 206)에서의 슬롯(216)은 각 다이어프램(212)에 걸쳐 다이어프램(212)의 위치의 선형 변화율 및 압력차의 선형 변화율에 대해 상기 구멍의 개방 영역의 비선형 변화율을 허용하도록 그의 폐쇄 단부를 향해 테이퍼지는 것이 바람직하다. 이는 원활한 크랭크케이스 압력 제어를 제공하고, 특히 제트 펌프가 사용될 때에 상기 분리기에 걸쳐 펌스 서지 및 압력 헌팅을 방지한다. 추가적인 이점은 크랭크케이스 압력 조절이 분리기에 통합되기 때문에 별도의 조절기 구성요소를 제공할 필요가 없다는 점이다.
각 슬롯(212)의 형상은 각 분리 스테이지에 걸쳐 입구 압력과 출구 압력의 변화에 대해 적절한 반응을 제공하도록 마련된다. 상기 슬롯(216)의 형상은 두 분리 스테이지(202, 206) 사이에서 다를 수 있다는 것을 이해할 것이다. 상기 슬롯(216)의 형상은 도 5 내지 8에 도시된 것으로부터 크게 달라질 수 있다. 또한, 상기 스프링 또는 각 스프링의 스프링 반응률 및 상기 블로-바이 가스와 주위 가스 압력에 의해 작동되는 다이어프램(212)의 제1 및 제2 측부의 상대적인 크기의 조절은 각 다이어프램(212)의 이동 속도 및 정도를 별도로 제어하는데 사용될 수 있다.
상기 가변 임팩터 분리기 슬롯(216)은 각 분리 스테이지(202, 206)에 걸쳐 압력 제어를 향상시킨다. 상기 다이어프램(212)이 상승되고 구멍의 크기가 증가하는 경우, 이는 허용 한계 내에서 상기 분리기에 걸쳐 압력차(이에 따른 상기 블로-바이 가스의 입구 압력 및 크랭크케이스 압력)를 유지하면서 높은 용적의 블로-바이 가스 조건을 수용할 수 있는 큰 구멍 크기를 가능하게 한다. 상기 다이어프램이 낮아지는 경우, 상기 슬롯의 하부 섹션의 감소된 개방 영역은 분리기에 걸쳐 압력차를 증가시키고, 이에 의하여 부압이 (대기압과 관련하여) 크랭크케이스에서 발생되는 것을 방지한다. 필요에 따라, 상기 구멍의 단면적의 변화는 상기 다이어프램의 선형 이동에 대한 비선형 압력차를 제공하는데 사용될 수 있고, 이는 상기 분리기에 걸쳐 압력차의 향상되고 제어가능한 조절을 가능하게 한다. 상기 압력차의 향상은 CCV 시스템으로의 블로-바이 가스 입구에서 별도의 압력 조절기가 본 발명의 일부 실시예에서 생략되게 한다.
바람직하게, 도 8에 도시된 제트 펌프(204)와 같은 펌프의 사용은 다중 패스(multi-pass) 충돌 분리기의 각 스테이지의 분획 효율을 중량 효율의 전체적인 향상이 있는 정도로 상승시킨다. 또한, 각 분리 스테이지의 적절한 제어에 의해, 상기 분리기의 분획 분리 효율은 임의의 주어진 엔진으로부터 수용된 블로-바이 가스 내에서 특정 오일 입자 크기 분포로 맞춰질 수 있다.
블로-바이 가스는 도 8의 분리기를 다음과 같이 통과한다. 블로-바이 가스는 엔진의 크랭크케이스에 결합된 입구(208)를 통해 유입된다. 상기 가스는 제1 가변 임팩터 분리 스테이지(202)의 입구 튜브(214)의 베이스를 형성하는 와류 탐지기(232)에 대해 사이클론 나선을 형성하는 화살표(230)의 경로를 따라 사이클론 사전 필터(200)로 전달된다. 오염물의 일부는 사이클론 사전 필터(200)의 벽에서 흘러내리고 상기 가스가 화살표(236)의 경로를 따라 입구 튜브(214)를 통해 상방향으로 흐름에 따라 오일 배수관(234)으로 하방향으로 흐른다. 상기 블로-바이 가스는 도 5 내지 7과 관련하여 전술한 바와 같은 방식으로 각 가변 임팩터 분리 스테이지(202, 206)를 통과하는데, 상기 입구 튜브(214)를 통해 슬롯(216)을 통해 상방향으로 통과하고 그리고 상기 입구 튜브(214)를 둘러싸며 대체로 화살표(238)의 경로를 따라 동심 외부 튜브에 의해 형성된 환형 챔버를 통해 다시 아래로 통과한다. 오일 및 다른 오염물의 분리는 상기 가스가 슬롯(216)을 통해 가속화되고 상기 환형 챔버 내에 형성된 충돌 면에 충돌함에 따라 발생한다. 유착 매체는 충돌 면에 제공되어 오염물의 재혼입 비율을 감소시킬 수 있다. 상기 유착 매체는 충돌 면에 반사하는 입자 오염물의 경향을 감소시킨다.
각 슬롯(216)의 개방 영역은 상기 튜브(214)의 내부와 챔버(240) 내의 압력 기준 사이에서 상기 다이어프램에 걸친 차분 압력에 따라 각 다이어프램(212)의 위치에 의해 결정된다. 각 챔버(240)는 주위 환경에 결합될 수 있거나 또는 임의의 다른 기준 가스 압력으로 결합될 수 있다. 상기 다이어프램(212)의 부가적인 이동은 서로 다를 수 있는 스프링(242)의 스프링 반응률에 의해 제어된다. 또한, 스프링은 스프링(242) 외에 또는 스프링(242) 대신에 챔버(240) 내의 다이어프램에 결합되게 제공될 수 있다. 일부 실시예에서, 어떠한 스프링도 전혀 필요하지 않다. 상기 블로-바이 가스로부터 분리된 오일은 하방향으로 흘러서 오일 배수관(234)을 향해 체크 밸브(244)를 통과한다. 상기 세정된 가스는 제1 분리 스테이지(202)로부터 제2 분리 스테이지(206)로 대체로 화살표(246)의 경로를 따라 상방향으로 향한다. 상기 제2 분리 스테이지(206) 후, 상기 세정 가스는 노즐(250)을 통해 제트 펌프(204)로 유입되는 부스트 가스에 의해 가속화되는 경우에 상기 제트 펌프(204)로 대체로 화살표(248)의 경로를 따라 상방향으로 향한다. 상기 부스트 가스와 세정된 블로-바이 가스는 디퓨저 튜브(252)를 통해 상기 제트 펌프(204)에서 유출된다.
전술한 바와 같이, 도 8의 다단식 분리기는 사이클론 사전 필터(200)를 포함할 수도 있지만, 대안적인 실시예에서 이는 생략될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 부가적으로, 도 8의 분리기가 관성 충돌을 제공하는 두개의 가변 임팩터 분리기 스테이지를 포함하지만, 추가적인 가변 임팩터 분리기 스테이지에는 상기 제트 펌프에 의해 제공된 분리기에 걸쳐 전체의 압력차의 일부 범위 내에서 작동하는 각 스테이지가 제공될 수 있다.
도 9를 참조하면, 이는 본 발명의 제2 실시예에 따른 분리기를 도시하고 있다. 상기 제2 가변 임팩터 분리기 스테이지(206)가 필터 매체 분리 스테이지(218)에 의해 대체되는 점을 제외하고는 상기 분리기는 도 8에 도시된 것과 대체로 동일하다. 섬유 깊이 여과가 수반되는 상기 가변 임팩터 분리기(202) 내에서 (그리고 존재한다면 사이크론 사전 필터 내에서도) 이러한 관성 충돌의 조합이 과도하게 높은 분획 및 중량 효율을 제공하는 것으로 나타나 있다. 특히, 일부 유형의 공지된 필터 매체는 매우 작은 입자 오염물을 여과하는데 특히 적합하다. 상기 필터 매체가 가변 임팩터 분리기의 작용으로 인해 큰 입자에 의해 막히지 않게 됨에 따라, 상기 필터 매체는 매우 작은 입자를 여과하기 위한 이러한 능력을 양호하게 유지할 수 있다. 부가적으로, 필터 매체가 그 자체에 제공되고 규칙적으로 교체되어야 하는 일부 통상적인 필터와 달리, 상기 가변 임팩터 분리기(202)는 블로-바이 가스 내의 오염물의 큰 부분을 제거하기 때문에, 필터 매체 스테이지(218) 내의 필터 매체(220)는 연장된 사용 수명을 갖는다. 통상적인 매체 요소는 블로-바이 가스의 매연 농도 및 매체의 크기와 밀도에 좌우되는 매연 및 입자로 차단될 것이다. 통상적인 깊이 여과가 500시간과 2000시간 사이의 사용 간격을 갖는 경우, 도 9의 분리기 내의 상기 필터 매체(220)는 2000시간과 12,000시간 사이의 증가된 사용 수명을 가질 수 있고, 심지어 엔진의 수명에 적합가능할 수 있다.
상기 제1 분리 스테이지(202)에서 유출된 후에 부분적으로 세정된 블로-바이 가스가 필터 매체(220)의 내부로 화살표(246)의 경로를 따라 향하는 점을 제외하고는 도 9의 분리기를 통한 블로-바이 가스의 흐름 경로는 도 8의 분리기에 대한 것과 대체로 동일하다. 상기 가스는 필터 매체(220)를 통과한 후에 이전과 마찬가지로 상기 제트 펌프(204)로 향한다. 상기 제1 분리 스테이지(202)의 높은 분리 효율로 인하여(95%까지), 상기 필터 매체(220)는 1% 매연 오염 비율로 블로-바이 가스에 대해 12000시간을 넘는 사용 수명을 가질 수 있다. 다른 대안에 있어서, 상기 사이클론 사전 필터는 도 8 및 도 9의 양자로부터 생략될 수 있다.
이제, 다단식 분리기가 중량 분리 효율의 향상을 제공할 수 있는 방법에 대한 상세한 수학적 설명이 도 10 내지 16을 참조하여 제공될 것이다. 본 발명자는 비교가능한 단일 스테이지 장치의 중량 효율과 같거나 이를 초과하는 중량 분리 효율을 수득하기 위하여 다단식 분리기의 각 구성요소에 요구되는 최소의 분획 효율 곡선을 확인하기 위한 기술을 개발하였다. 산출된 목표 분획 효율 곡선을 이용하여, 각 스테이지에 대한 분획 효율 곡선은 각 스테이지에 걸쳐 상기 펌프로부터 이용가능한 차분 압력의 제어에 조작되어 전체의 중량 효율을 미세하게 조율할 수 있다. 이러한 해석은 임의의 가용 진공에 대한 효율을 최대화하기 위한 분리 스테이지의 최적 개수를 결정하거나, 또는 주어진 효율적인 목표를 충족하기 위한 스테이지의 수 및 요구되는 진공을 결정하는데(이에 따라 요구되는 펌프를 결정하는데) 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 분리 목표를 충족하기 위한 펌프 에너지 요건이 최소화될 수 있다.
엔진으로부터 방출된 블로-바이 가스의 세정을 위해 사용되는 장치의 성능은 중량 분리 효율을 산출하기 위하여 상기 분리기 전후에 고정된 시기 동안에 필터지에 포함된 오염물을 수집하고 이들을 계량함으로써 평가될 수 있다.
다중 패스 분리기의 중량 효율은 용이하게 산출될 수 있다. 예를 들어, (관성 분리기의 임의의 유형에 대한) 50% 효율 분리기를 통한 제2 패스는 제1 패스로부터 넘어온 오염물 질량의 추가 50%를 제거할 것이다. 그러므로, 상기 2패스 시스템의 전체 효율은 75%이다. 제3 패스는 전체 88%를 수득할 것이고 제4 패스는 94%를 수득할 것이고, 등등이다. 단일 분리기 스테이지를 위한 임의의 주어진 효율(x, 0%와 100% 사이)에 대해, 수학식은 다단식 분리기(μn, 여기서 n은 다단식 분리기에서 유사한 분리기 스테이지의 수임)의 전체 효율을 위해 유도될 수 있다.
Figure 112014006986255-pct00001
이러한 식은 다음과 같이 단순화될 수 있다.
Figure 112014006986255-pct00002
제2, 제3, 및 제4 패스 분리기에 대한 위의 함수의 그래프가 도 10에 도시되어 있고, 이는 임의의 주어진 효율(x)의 제2, 제3, 및 제4 패스 분리기에 대한 시스템 효율을 결정하는데 사용될 수 있다. 분리기 스테이지의 수와 관계없이, 상기 스테이지의 각 하나의 효율(x)이 100%에 근접함에 따라 전체 효율(μ)이 100%에 근접하는 것을 알 수 있다.
예를 들어, 40mbar의 허용 압력차를 갖는 관성 분리기가 약 75%의 중량 효율을 나타낼 수 있다는 것을 당업자라면 이해할 것이다. 또한, 20mbar의 낮은 압력차를 갖는 관성 분리기는 통상적으로 약 44%의 낮은 중량 분리 효율을 수득할 것을 이해할 것이다. 직렬로 결합된 이러한 두 분리기는 40mbar의 조합된 압력차를 가질 것이지만, 위의 그래프를 이용하면 상기 조합된 다단식 분리기가 전체가 단지 69%의 낮은 중량 효율을 수득할 것으로 판단될 수 있다. 부가적인 분리기 스테이지에 걸쳐 가용 압력차를 더 분할하는 것은 점점 열악한 결과를 만들 것이라는 것을 쉽게 추론할 수 있다.
위에서 설명되고 Parker Hannifin(UK) Ltd의 WO-2009/037496-A2에 개시된 바와 같이, 본 발명자는 성능 개선을 달성하기 위해 이용가능한 압력차를 인위적으로 증가시키기 위해 펌프를 이용하여 증가된 효율도로 오염물 분리하기 위한 장치를 이전에 개발하였다. 이제, 본 발명자는 이하에서 설명될 바와 같은 다중 패스 분리의 적용에 의해 엔진으로부터 블로-바이 가스에 의해 제시된 주어진 에어로졸 챌린지에 대한 펌프의 보다 효율적인 사용을 달성하기 위한 방법을 개발하였다.
엔진 블로-바이 가스의 조성물은 크기가 0.035미크론에서 10미크론의 범위인 액체 오일 및 오일 에어로졸 양자를 포함한다. 기존의 설비를 이용하여, 각각의 엔진에 의해 생성된 특성 질량 분획이 측정될 수 있다. 2010 디젤 엔진에 대한 일례가 블로-바이 가스의 비례적인 구성이 입자 크기가 ㎛로 표시된 도 11에 도시되어 있다. 도 11은 약 0.2㎛와 1.5㎛ 사이 및 5㎛보다 높은 오염물의 유의미한 농도를 나타내고 있다.
유사하게, 동일한 기존의 설비를 이용하여, 도 5 내지 7과 관련하여 전술한 유형의 가변 임팩터 분리기의 분리 효율이 동일한 범위의 입자 크기에 걸쳐 표시될 수 있다. 이러한 가변 임팩터 분리기의 분획 분리 효율은 펌핑된 압력차의 범위에 걸쳐 특징되어지고 이러한 데이터는 도 12에 나타나 있다. 압력차를 증가시키면 분획 분리 효율 곡선이 증가하는 것을 알 수 있다.
중량 분리 효율을 최대화하면서 동시에 펌프 에너지를 최소화하기 위하여, 주어진 엔진에 의해 발생된 상당한 오일 질량 분획에 대응하는 특정 입자 크기에서 가능한 최대 효율을 달성하기 위해 다단식 분리기를 조정할 필요가 있다. 각 분리기 스테이지에 걸친 압력차는 각 스테이지를 조율하도록 선택되어 도 11에 도시된 에어로졸 챌린지의 선택된 부분으로부터 입자를 분리할 수 있다. 전체 중량 분리 효율을 최대화하기 위하여, 펌프에 의해 제공된 동력으로 또는 동력 없이 다수의 분리기를 직렬로 단순히 결합하는 것으로는 충분하지 않다.
다중 패스 시스템이 단일 패스 분리기로부터 측정된 것과 같은 성능을 수득하기 위하여 각 분리기 스테이지에 필요한 최소 분획 효율 곡선을 정의하는 수학적인 함수가 결정될 수 있다. x 측면에서 제2, 제3, 및 제4 패스 시스템에 대해 이전의 방정식을 재배열하면 이것을 달성한다. 제2, 제3, 및 제4 패스 방정식이 두 번째, 세 번째, 및 네 번째 다항식이고 이에 따라 다수의 해결책을 갖는다는 것을 유의하라.
2단 분리기에 대해:
Figure 112014006986255-pct00003
3단 분리기에 대해:
Figure 112014006986255-pct00004
4단 분리기에 대해:
Figure 112014006986255-pct00005
μ2, μ3, 및 μ4는 0과 100% 사이로 다르다. 이러한 방정식을 단순화하면 다음과 같은 식을 더 수득한다.
Figure 112014006986255-pct00006
이로부터, 동일한 총 압력차의 공지된 단일 패스 장치보다 더 높은 중량 분리 효율을 수득할 수 있는 다중 패스 분리기 시스템을 설계하기 위하여, 도 11에 도시된 에어로졸 챌린지와 관련된 범위의 각 입자 크기에서 최소 요구 분획 분리 효율이 산출될 수 있다. 도 13은 120mBar의 압력차를 갖는 단일 가변 임팩터 분리기에 대한 분획 분리 효율, 두개의 60mBar 가변 임팩터 분리기의 각각에 대한 요구되는 목표 분획 분리 효율, 및 예시적인 60mBar 가변 임팩터 분리기에 대한 측정된 분획 분리 효율을 나타내고 있다. 상기 예시적인 60mBar 분리기의 성능이 다단식 시스템의 각 스테이지의 요구 성능을 초과하는 것을 알 수 있다. 상기 유도된 목표 곡선보다 위에서 임의의 장치는 중량 효율의 전체적인 향상을 수득할 것이지만, 이보다 아래에서 임의의 장치는 그렇지 않을 것이다. 따라서, 도 13은, 본 발명자에 의해 개발된 수학적 모델에 따르면, 직렬로 된 두개의 60mBar 가변 임팩터 분리기가 단일의 120mBar 분리기보다 더 높은 효율을 수득할 수 있다는 것을 보여준다. 이러한 결과는 단일의 60mBar 가변 임팩터 분리기, 단일의 120mBar 가변 임팩터 분리기, 및 직렬로 결합된 두개의 60mBar 가변 임팩터 분리기에 대한 측정된 분획 분리 효율을 나타낸 도 14에서 확인된다. 직렬로 결합된 두개의 60mBar 분리기의 성능은 관련된 입자 크기 영역의 전체에 걸쳐 상기 단일의 120mBar 분리기의 성능을 초과한다.
전술한 기술을 이용하여, 도 8에 도시된 유형의 다중 패스 임팩터 분리기가 특성화된 엔진 블로-바이 가스 에어로졸 분포에 의해 챌린지될 때에 이전에 도달불가능한 중량 효율을 얻도록 구체적으로 설계되는 방법을 당업자는 이해할 것이다. 도 15는 단일의 50mBar 분리기, 단일의 100mBar 분리기, 및 직렬로 된 두개의 50mBar 분리기에 대한 분획 분리 효율을 나타내고 있다. 직렬로 된 두개의 50mBar 분리기의 성능이 단일의 100mBar 분리기의 성능보다 균일하게 높지는 않지만, 0.2㎛보다 큰 입자에 대해 도 11에 도시된 관련된 특정 영역에서 더 높다는 것을 알 수 있다. 이러한 예는 엔진 챌린지 질량 분획의 큰 부분이 0.2미크론보다 높은 경우에 이러한 다단식 가변 임팩터 분리기가 전체의 시스템 향상을 가져올 수 있는 방법을 보여주지만, 챌린지 질량 분획이 0.2미크론보다 낮은 경우에는 성능 손실이 유발될 것이다. 이는 다단식 분리기를 설계할 때에 다루게 될 특정 에어로졸 챌린지의 고려에 대한 중요성을 나타낸다. 펌프 에너지의 상당한 증가가 있지 않는 한, 이전에 가용 분리기를 직렬로 단순히 결합하는 것은 성능 증가를 보장하지 않는다. 다단식 분리기에서 분리 뒤에 이러한 공정의 완전한 이해 및 분리될 특정 유체로 어떻게 조율되는지에 대한 이해 없이, 추가적인 분리 스테이지의 부가에 의해 기존의 분리기의 변형을 당업자에게 제시할 방법은 아무것도 없고 그래서 상당한 개선을 발생시킬 수 없다.
유사하게, 가변 임팩터 관성 분리기 및 패스 쓰루 필터 매체를 포함하는 도 9에 도시된 유형의 동력형 다단식 분리기의 성능은 모델화될 수 있다. 도 16은 비동력형 가변 임팩터 분리기, 펌프 지원형 가변 임팩터 분리기, 저밀도 필터 매체, 및 직렬로 함께 결합된 펌프 지원형 가변 임팩터 분리기와 저밀도 필터 매체의 조합의 분획 분리 효율을 나타내고 있다. 유체 분리의 기술분야에서 당업자는 0.35㎛ 근방의 필터 매체에 대한 분획 효율의 중간 범위 감소가 상기 필터 매체 내에서 고유의 충돌, 차단, 및 확산 분리 메커니즘의 물리학적 성질로 인해 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 도 16은 0.1㎛보다 작은 입자 크기에 대해 고효율을 달성하기 위해 이러한 필터 매체의 공지된 속성을 도시하고 있다.
도 16으로부터 비동력형 임팩터와 필터 매체의 조합이 필터 매체의 사용 수명의 연장을 넘어 작은 향상을 수득할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 그러나, 중량 분리 효율이 다단식 분리기의 각 스테이지의 분획 분리 효율을 특정 에어로졸 챌린지로 조정하여 향상될 수 있는 방법을 이해한 후에, 본 발명자는 필터 매체와 동력형 임팩터 분리기를 포함하는 조합된 시스템이 상당히 향상된 중량 분리 효율을 제공할 수 있다는 것을 확인하였다. 상기 조합된 시스템은 산업계에서 이전에 달성불가능한 분리 효율도 - 블로-바이 가스에 대한 약 99% 또는 그 이상의 중량 결과를 수득하기 위하여 상기 가변 임팩터 분리기의 분획 효율을 조율함으로써 각 스테이지의 영향으로부터 이점을 얻는다.
상기 분리기는 통상적으로 고분자 재료, 예를 들어 유리 충전 나일론으로 이루어질 수 있다. 다른 구성 및 재료도 당업자에게 용이하게 이해될 것이다. 예를 들어, 상기 펌프 노즐은 소결되거나 금속 사출 성형 부품으로 이루어질 수 있다. 상기 분리기의 다양한 부품은 클립, 볼트, 접착제, 또는 용접과 같이 당업자에게 잘 알려진 적절한 고정 기술을 이용하여 함께 결합될 수 있다. O링과 같은 밀봉체는 분리기로부터 누출을 방지하기 위해 제공될 수 있다. 상기 분리기의 다양한 부품은 부가적인 스테이지가 최소의 변형으로 포함되거나 전환될 수 있는 모듈 시스템에 제공될 수 있다.
도 8 및 9에 도시된 본 발명의 실시예는 다단식 분리기에 걸쳐 압력차를 증가시키기 위하여 제트 펌프를 이용하지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 다수의 분리기가 직렬로 사용되어 더 높은 전체의 중량 및 분획 분리 효율을 제공하게 하기 위하여 상기 분리기를 통해 블로-바이 가스를 흡입하기 위해 진공 발생시키기 위한 임의의 공지된 형태의 펌프가 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 일부 실시예에서, 전기 또는 유압 구동 펌프가 사용될 수 있다.
도 8 및 9에 도시된 본 발명의 실시예는 오일이 분리기로부터 배수되어 크랭크케이스로 복귀되는 것으로 설명하였지만, 상기 오일 및 다른 오염물은 처리되지 않고 상기 크랭크케이스의 외부에 저장될 수 있다. 유사하게, 여과된 블로-바이 가스는 엔진 흡기구로 전달될 필요가 없고, 예를 들어 임의의 잔류 오염물이 상기 엔진을 손상시키는 것을 방지하기 위하여 대기로 배출될 수 있거나, 또는 배기 시스템에 의해 처리될 수 있다. 추가적인 변형에서, 상기 부스트 가스는 가압 가스의 공급원, 예를 들어 배기가스, 터보차저 또는 엔진 흡기 매니폴드로부터의 압축 가스, 차량 제동 시스템으로부터의 압축 가스, 또는 다른 공급원으로부터 유도될 수 있다. 다른 가능한 구성도 당업자에게는 용이하게 명백할 것이다.
전술한 특정 분리기는 왕복 엔진 내의 블로-바이 가스류로부터 입자 및 액체 에어로졸 오염물을 분리하기 위한 설명된 분리기의 사용에 주로 관한 것이지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 실제로, 상기 분리기는 다른 형태의 내연 기관으로부터 유도된 가스류로부터 오염물을 분리하는데 사용될 수 있다. 더 일반적으로, 본 발명은 압축 공기 라인과 같은 임의의 가스류로부터 오염물을 분리하기 위해 적용되어, 공작 기계에서 가스류로부터 절삭 유체를 분리하고 산업용 공기 압축기에서 오일 미스트를 분리할 수 있다. 더 일반적으로, 본 발명은 임의의 유체류로부터 오염물을 분리하는데 사용될 수 있다. 즉, 이는 액체류에 적용될 수도 있다. 상기 분리기는 내연 기관 내에서 오일 또는 연료 공급기로부터 오염물을 분리하는데 유리하게 사용될 수 있다.
상기 분리기는 자립형 장치를 포함할 수 있다. 대안적으로, 이는 다른 엔진 구성요소, 예를 들면 엔진 밸브 커버, 타이밍 커버, 크랭크케이스, 실린더 헤드, 엔진 블록, 또는 터보차저에 용이하게 일체화될 수 있다. 상기 분리기는 엔진에 직접 장착되거나 엔진으로부터 떨어져 장착될 수 있다.
본 발명의 추가적인 변형 및 응용이 첨부된 청구항의 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있다는 것은 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (16)

  1. 혼입된 오염물을 포함하는 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 입구;
    직렬로 함께 결합되고 상기 제1 유체류로부터 오염물을 분리하도록 각각 마련되는 제1 및 제2 가변 임팩터 분리기들로서, 상기 제1 가변 임팩터 분리기는 상기 제1 입구로부터 제1 유체류를 수용하기 위하여 상기 제1 입구에 결합되는, 제1 및 제2 가변 임팩터 분리기; 및
    상기 제2 가변 임팩터 분리기에 결합되고, 감소된 압력의 영역을 발생시켜 상기 제1 및 제2 가변 임팩터 분리기들을 통해 상기 제1 유체류를 흡입하도록 마련되는 펌프
    를 포함하고,
    상기 가변 임팩터 분리기들은 각각,
    상기 제1 유체류를 수용하도록 마련된 제1 챔버;
    상기 제1 유체류로부터 오염물이 분리되도록 상기 제1 유체류가 구멍을 통해 가속화되고 충돌 면에 입사하도록 마련된 적어도 하나의 구멍을 통해 상기 제1 챔버에 결합되는 제2 챔버;
    상기 제1 챔버 및 기준 유체 압력에 결합되는 제3 챔버; 및
    상기 제1 챔버 내의 유체 압력과 상기 제3 챔버 내의 기준 유체 압력 간의 압력차에 따라 상기 적어도 하나의 구멍의 개방 영역을 조절하도록 마련된 액츄에이터를 포함하는,
    유체류로부터 오염물을 분리하기 위한 분리기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가변 임팩터 분리기들 중 적어도 하나에 대해, 상기 충돌 면은 제2 챔버 내에 있고 상기 제1 유체류가 제2 챔버로 유입된 후에 상기 제1 유체류를 편향시키도록 마련되어 상기 제1 유체류로부터 오염물이 분리되는 분리기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가변 임팩터 분리기들 중 적어도 하나에 대해, 상기 구멍의 개방 영역의 변화율이 상기 제1 및 제3 챔버 간의 압력차의 변화에 대해 비선형 반응을 갖도록 상기 구멍의 형상이 선택되는 분리기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가변 임팩터 분리기들 중 적어도 하나에 대해, 상기 액츄에이터는 제1 챔버를 제3 챔버로부터 분리하는 다이어프램을 포함하는 분리기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가변 임팩터 분리기들 중 적어도 하나에 대해, 상기 제1 챔버는 내부 튜브의 제1 단부에서 상기 제1 유체류를 수용하도록 마련된 내부 튜브에 의해 형성되고, 상기 제2 챔버는 제1 챔버를 둘러싸는 외부 튜브에 의해 형성되고, 상기 내부 튜브의 제2 단부는 상기 다이어프램에 의해 폐쇄되는 분리기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 가변 임팩터 분리기들 중 적어도 하나에 대해, 상기 다이어프램은 제1 챔버와 상기 제3 챔버 내의 기준 유체 압력 간의 압력차의 변화에 응답하여 상기 튜브의 길이방향 축을 따라 이동하도록 마련되는 분리기.
  7. 제5항에 있어서, 상기 가변 임팩터 분리기들 중 적어도 하나에 대해, 상기 구멍은 내부 튜브 벽을 관통한 슬롯을 포함하고 상기 다이어프램은 상기 다이어프램이 이동함에 따라 슬롯을 점진적으로 가리거나 드러내어 상기 구멍의 개방 크기를 변화시키도록 배열된 가요부를 더 포함하는 분리기.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌프는 제4 챔버를 포함하고, 상기 제4 챔버는 제2 유체류를 상기 제4 챔버로 수용하기 위한 제2 입구 및 상기 제1 유체류를 수용하기 위한 제3 입구를 구비하고, 상기 제2 입구는 제2 유체류를 가속화하기 위한 수렴 노즐을 포함하고, 상기 제2 유체류가 제1 유체류를 혼입하여 가속화할 수 있도록 상기 제3 입구는 제2 입구에 대하여 상대적으로 배치되는 분리기.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펌프는 전기적으로 또는 유압식으로 구동되는 분리기.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 입구와 제1 가변 임팩터 분리기 사이에 결합된 사이클론 분리기를 더 포함하고, 상기 사이클론 분리기는 제1 입구로부터 수용된 유체를 나선형 흐름을 통해 가속화하여 상기 제1 유체류로부터 오염물을 분리하도록 마련되는 분리기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 사이클론 분리기에 형성되고 상기 사이클론 분리기로부터 액체 오염물을 배수하도록 마련된 배수관을 더 포함하는 분리기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제1 가변 임팩터 분리기의 제1 챔버를 형성하는 내부 튜브는 상기 사이클론 분리기로 하방향으로 연장되는 분리기.
  13. 크랭크케이스로부터 블로-바이 가스를 수용하도록 마련된 블로-바이 가스 덕트; 및
    제1항 또는 제2항에 따른 분리기
    를 포함하고,
    상기 제1 입구는 블로-바이 가스 덕트에 결합되는
    크랭크케이스 환기 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 펌프는 엔진 흡기 시스템, 차량 배기 시스템에 결합되도록 마련되거나 또는 주위 환경으로 가스를 배출하도록 마련되는 크랭크케이스 환기 시스템.
  15. 제13항에 따른 크랭크케이스 환기 시스템을 포함하는 내연 기관으로서,
    상기 펌프는 제4 챔버를 포함하고, 상기 제4 챔버는 제2 유체류를 상기 제4 챔버로 수용하기 위한 제2 입구 및 상기 제1 유체류를 수용하기 위한 제3 입구를 구비하고, 상기 제2 입구는 제2 유체류를 가속화하기 위한 수렴 노즐을 포함하고, 상기 제2 유체류가 제1 유체류를 혼입하여 가속화할 수 있도록 상기 제3 입구는 제2 입구에 대하여 상대적으로 배치되고,
    상기 제2 입구는 터보차저로부터 유도된 가압 가스류를 수용하도록 마련되고 상기 분리기는 블로-바이 가스로부터 크랭크케이스 오일을 분리하도록 작동가능한, 내연 기관.
  16. 삭제
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