WO2018188908A1 - Tellerseparator mit gekrümmten tellern - Google Patents

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WO2018188908A1
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Hans Janssen
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Polytec Plastics Germany Gmbh & Co. Kg
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    • B01D45/12—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces
    • B01D45/14—Separating dispersed particles from gases or vapours by gravity, inertia, or centrifugal forces by centrifugal forces generated by rotating vanes, discs, drums or brushes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B04B5/00—Other centrifuges
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    • B04B7/14—Inserts, e.g. armouring plates for separating walls of conical shape
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    • F01M13/00—Crankcase ventilating or breathing
    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
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    • F01M13/04—Crankcase ventilating or breathing having means for purifying air before leaving crankcase, e.g. removing oil
    • F01M2013/0422—Separating oil and gas with a centrifuge device

Definitions

  • the invention relates to a disk separator, in particular for a venting device of a crankcase of a
  • Internal combustion engine preferably a motor vehicle.
  • Such Tellerseparatoren include a housing in which a rotor is rotatably mounted, rotatably supports a plurality of stacked in the rotor longitudinal direction plate rotatably, and which separates a radially outer cavity in the housing of a radially inner space.
  • Corresponding plate separators usually have one
  • Clean gas outlet through which the purified gas released from the oil passes from the clean room to the outside. Furthermore, a usual
  • Tellerseparator an outlet, through which the separated oil passes to the outside and thus the crankcase can be fed again.
  • Tellerseparator comprises a housing formed as a stator, in which a rotor is housed, which has a plurality of plates, which are arranged along the rotor axis parallel to each other and coaxial with the rotor axis are.
  • a gap is then formed between two adjacent plates, which connects a trained inside the rotor clean room with a space surrounding the rotor in the interior of the housing.
  • EP 1 645 320 A1 relates to a centrifugal separator for the separation of entrained in an air flow of oil and / or solid particles, in particular for the de-oiling of crankcase gases one
  • Tellerseparator is executed, with a mixture inlet for the 01- and / or solid particles afflicted air, an air outlet for clean air and an oil outlet for oil and / or solid particles, with a housing formed as a stator, in which a rotor is arranged, which has a plurality of plates which are arranged along the rotor axis parallel to each other and coaxial with the rotor axis, wherein the rotor is correspondingly connected to a drive.
  • a basket rotatably connected to the rotor wherein the basket is a plate-shaped part, which is arranged coaxially to the rotor axis and substantially parallel to the plates and a substantially cylindrical portion which extends in the direction of the further plate and substantially parallel to Stator runs, has.
  • Tellerner is in the known Tellerseparatoren in the entire cross-section starting inside the mounting area of
  • the object of the present invention is to reduce the pressure loss in the disk package and the ability to reduce the space and improve the deposition
  • the above object is achieved in a first embodiment by a plate separator 1, in particular for a
  • Internal combustion engine preferably a motor vehicle
  • a rotor 3 is rotatably mounted, which rotates in operation, rotatably supports a plurality of stacked in the rotor longitudinal direction plate 4 and the housing in the housing a radially outer clean room 5 from a radially inner blanks 6,
  • the surface of at least one of, in particular the plate is at least partially formed in the form of a spherical segment or a segment of an ellipsoid of revolution (are) and
  • Inner diameter of the plate package its greatest height, so that thus the flow cross-section is extended here. Due to the larger flow cross-section of the pressure loss is significantly lower compared to prior art disk packs. If, to the outside, the disc gap S2 becomes smaller, the radial velocity decreases less. An outwardly steeper angle 10b improves the Deposition, so that the plate diameter can be smaller with the same deposition, as in the prior art.
  • the speed at which the Tellerseparator is operated be chosen smaller and thus drive power can be saved.
  • the essential core of the present invention is therefore that the plates have an outwardly steeper, that is smaller plate angle with respect to the rotor axis, so that an improved efficiency over the prior art is possible.
  • the inner region of the plate can be made with a shallow angle.
  • the gap height is larger in the plate stack in this area.
  • the angle to the rotor axis becomes smaller (steeper). The consequence of this is that on the larger plate circumferences
  • FIG. 1 an inventive Tellerseparator is shown.
  • the plate separator has a conventional blow-by gas inlet 7 in the lower region.
  • the oil drain 9, the engine 4 and the blow-by gas outlet 8 correspond to those of a conventional Tellerseparators.
  • the plate separator 1 has plates 4 with variable
  • the plate gaps are at the inner diameter, that is greater in the attachment area on the rotor axis and decrease towards the outside.
  • the angle to the rotor axis is smaller towards the outside and thus increases the separation effect.
  • plates with different geometric shapes of the different curvatures 10 are shown by way of example.
  • the plates have a radius of curvature which is smaller in relation to the rotor axis in the outer edge than at the attachment region on the rotor axis.
  • the geometry of a plate with a spherical surface is shown in FIG.
  • the plate is for example in the form of a hemisphere or a
  • Rotational paraboloid shaped.
  • the difference of the crown radii of a paraboloid of revolution, based on the outer surface of a plate from the mounting area on the rotor axis to the outer edge of the plate can be adjusted according to requirements. If the difference in the radii of the plate chosen too small, the achievable with the present invention improved efficiency is not fully achievable. However, if the difference of the radii of the plate is too small, the gap at the outer edge of the plate is too small and the pressure loss during
  • a steeper angle of the plate at the outer edge 10b with a smaller plate gap increases the deposition.
  • the plates of the Tellerseparatoren invention can be made of a variety of materials. According to the invention is important in this context that here the plates can also be made of plastic, in particular of fiber-reinforced plastic. This contrasts with weight loss made of metal plates. Particularly preferred plastic here is polyamide, since this is very easy to process, especially if the plastic material comprises glass fibers and / or carbon fibers.

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Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein Tellerseparator, insbesondere für eine Entlüftungsvorrichtung eines Kurbelwellengehäuses einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges.

Description

Tellerseparator mit gekrümmten Tellern
Gegenstand der Erfindung ist ein Tellerseparator, insbesondere für eine Entlüftungsvorrichtung eines Kurbelwellengehäuses einer
Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges.
Üblicherweise umfassen derartige Tellerseparatoren ein Gehäuse, in dem ein Rotor drehbar gelagert ist, der mehrere in Rotorlängsrichtung aufeinander gestapelte Teller drehfest trägt, und der im Gehäuse einen radial außenliegenden Hohlraum von eine radial innenliegenden Raum trennt.
Entsprechende Tellerseparatoren weisen üblicherweise einen
Reingasauslass auf, durch den das von Öl befreite, gereinigte Gas vom Reinraum nach außen gelangt. Weiterhin weist ein üblicher
Tellerseparator einen Austritt aus, durch den das abgeschiedene Öl nach außen gelangt und somit dem Kurbelgehäuse wieder zugeführt werden kann.
Ein exemplarisches Beispiel eines entsprechenden Tellerseparators wird in der DE 100 44 615 AI beschrieben. Der hier dargestellte
Tellerseparator umfasst einen als Gehäuse ausgebildeten Stator, in dem ein Rotor untergebracht ist, der mehrere Teller aufweist, die entlang der Rotorachse parallel zueinander und koaxial zur Rotorachse angeordnet sind. Hierbei ist zwischen zwei benachbarten Tellern dann ein Spalt ausgebildet, der einen im Inneren des Rotors ausgebildeten Reinraum mit einem Raum verbindet, der im Inneren des Gehäuses den Rotor umgibt. Durch die Auswahl der Telleranzahl, der Spaltlänge und der Spaltbreite sowie dem Neigungswinkel der Teller zur Achse kann für einen vorgegebenen Volumenstrom und einen sich ergebenen
Druckverlust die gewünschte Reinigungswirkung erzielt werden. Hierbei ist offensichtlich, dass die Reinigungswirkung von der Drehzahl des Rotors abhängt.
Auch in EP 1 772 193 AI wird ein Tellerseparator, insbesondere für eine Entlüftungsvorrichtung eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges beschrieben. Um die Abdichtung des Reinraums gegenüber dem Hochraum zu verbessern, weist der unmittelbar an den Reingasauslass angrenzende Teller eine
Beschaufelung auf, die im Betrieb des Tellerseparators eine radial nach außen gerichtete Rückströmung erzeugt.
EP 1 645 320 AI betrifft einen Zentrifugalabscheider zur Abscheidung von in einem Luftstrom mitgeführten Öl- und/oder Feststoffpartikeln, insbesondere zur EntÖlung von Kurbelgehäusegasen einer
Brennkraftmaschine, wobei der Zentrifugalabscheider als
Tellerseparator ausgeführt ist, mit einem Gemischeinlass für die 01- und/oder Feststoffpartikel behaftete Luft, einem Luftauslass für Reinluft und einem Ölauslass für Öl und/oder Feststoffpartikel, mit einem als Gehäuse ausgebildeten Stator, in dem ein Rotor angeordnet ist, der mehrere Teller aufweist, die entlang der Rotorachse parallel zueinander und koaxial zur Rotorachse angeordnet sind, wobei der Rotor korrespondierend mit einem Antrieb verbunden ist. Dabei ist über dem obersten Teller ein Korb mit dem Rotor drehfest verbunden, wobei der Korb einen tellerförmigen Teil, welcher koaxial zur Rotorachse und im wesentlichen parallel zu den Tellern angeordnet ist und einen im wesentlichen zylinderförmigen Teil, welcher sich in Richtung der weiteren Teller erstreckt und im wesentlichen parallel zum Stator verläuft, aufweist.
DE 20 2015 105 000 Ul betrifft eine Welle mit einem Tellerseparator zur Entfernung von Blow-By-Gasen, bei dem die Teller die Geometrie einer Hohlkugelschicht haben (Fig. 5).
Allen anderen bekannten Tellerseparatoren ist der kegelförmige beziehungsweise kegelstumpfförmige Telleraufbau mit einem im gesamten Durchmesser gleichbleibenden Spalt gemeinsam. Beim
Durchströmen von innen nach außen ergibt sich jedoch im Innenbereich des Tellerpakets wegen des kleineren Umfangs eine höhere radiale Strömungsgeschwindigkeit mit höherem Druckverlust. Nach außen nimmt die radiale Geschwindigkeit wieder ab. Der Winkel der
Tellerneigung ist bei den bekannten Tellerseparatoren im gesamten Querschnitt beginnend im Inneren im Befestigungsbereich der
Rotorachse zum Außenrand der Teller konstant.
Tellerseparatoren mit Tellern in Kegelform wie in GB 119642
beschrieben gibt es seit fast 100 Jahren.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Reduktion des Druckverlusts im Tellerpaket und in der Möglichkeit, den Bauraum zu verkleinern sowie die Abscheidung zu verbessern Die vorgenannte Aufgabe wird in einer ersten Ausführungsform gelöst durch einen Tellerseparator 1, insbesondere für eine
Entlüftungsvorrichtung eines Kurbelwellengehäuses einer
Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges
mit einem Gehäuse 2, in dem ein Rotor 3 drehbar gelagert ist, , welcher sich im Betrieb dreht, der mehrere in Rotorlängsrichtung aufeinander gestapelte Teller 4 drehfest trägt und der im Gehäuse einen radial außenliegenden Reinraum 5 von einem radial innenliegenden Rohraum 6 trennt,
mit einem Rohgaseinlass 7, durch den ein mit Öl beladenes Gas in den Rohraum gelangt,
mit einem Reingasauslass 8, durch den das von Öl befreite, gereinigte Gas vom Reinraum nach außen gelangt und
mit einem Ölablauf 9 , durch den das abgeschiedene Öl vom Reinraum nach außen gelangt,
der dadurch gekennzeichnet ist, dass
die Oberfläche wenigstens einer der, insbesondere die Teller wenigstens teilweise in Form eines Kugelsegments oder eines Segments eines Rotationsellipsoids ausgebildet ist (sind) und
die Spalte Sl, S2 zwischen den Tellern von der Rotationsachse zum Außenrand kontinuierlich oder diskontinuierlich abnehmen.
Der sich dadurch nach außen verringernde Tellerspalt Sl hat am
Innendurchmesser des Tellerpakets seine größte Höhe, so dass damit der Strömungsquerschnitt hier erweitert ist. Bedingt durch den größeren Strömungsquerschnitt ist der Druckverlust hier im Vergleich zu Tellerpaketen des Standes der Technik deutlich geringer. Wird nach außen der Tellerspalt S2 kleiner, so nimmt die radiale Geschwindigkeit weniger ab . Ein nach außen hin steilerer Winkel 10b verbessert die Abscheidung, so dass die Tellerdurchmesser bei gleicher Abscheidung kleiner ausfallen können, als nach dem Stand der Technik.
Alternativ hierzu kann auch die Drehzahl, mit der der Tellerseparator betrieben wird, kleiner gewählt werden und damit Antriebsleistung eingespart werden.
Der wesentliche Kern der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, dass die Teller einen nach außen hin steileren, das heißt kleineren Tellerwinkel in Bezug auf die Rotorachse aufweisen, so dass ein verbesserter Wirkungsgrad gegenüber dem Stand der Technik möglich ist.
Bei Verwendung von erfindungsgemäßen Tellern, die am Außenrand stärker zur Achse geneigt sind, kann der Innenbereich der Teller mit einem flachen Winkel ausgeführt werden. Damit ist beim Tellerstapel in diesem Bereich die Spalthöhe größer. Mit nach außen hin zunehmenden Durchmesser wird der Winkel zur Rotorachse immer kleiner (steiler). Die Folge daraus ist, dass auf den größeren Tellerumfängen beim
Stapeln die Spalte kleiner werden.
In Fig. 1 wird ein erfindungsgemäßer Tellerseparator dargestellt. Der Tellerseparator weist im unteren Bereich einen üblichen Blow-by- Gaseinlass 7 auf. Auch der Ölablauf 9, der Motor 4 und der Blow-by- Gasauslass 8 entsprechen dem eines üblichen Tellerseparators.
Im Unterschied zu bekannten Tellerseparatoren des Standes der Technik weist der Tellerseparator 1 jedoch Teller 4 mit variablen
Spalten und Winkeln auf. Die Tellerspalte sind am Innendurchmesser, das heißt im Befestigungsbereich an der Rotorachse größer und nehmen nach außen hin ab. Der Winkel zur Rotorachse wird nach außen hin kleiner und erhöht damit die Abscheidewirkung.
Während der Stand der Technik durch Teller geprägt wird, die eine Kegelstumpffläche beschreiben, weisen die erfindungsgemäß
enthaltenen Teller eine davon abweichende Geometrie auf.
In Fig. 2 sind exemplarisch Teller mit verschiedenen geometrischen Formen der unterschiedlichen Krümmungen 10 dargestellt. Die Teller weisen einen Krümmungsradius auf, der in Bezug auf die Rotorachse im Außenrand kleiner ist, als am Befestigungsbereich an der Rotorachse. So wird in der Fig. 2 insbesondere die Geometrie eines Tellers mit einer Kugeloberfläche dargestellt.
Alternativ hierzu ist es selbstverständlich auch möglich, ein
entsprechendes Rotationsellipsoid abzubilden.
Wählt man den Krümmungsradius zwischen benachbarten gekrümmten Tellern entsprechend aus, so ist es möglich, den in Fig. 3 dargestellten Winkel zwischen den Tellern vom Befestigungsbereich 10a der
Rotorachse bis hin zum Außenrand der Teller 10b zu verringern, um somit die Spaltweite Sl, S2 zwischen den Tellern nach außen hin zu verjüngen. Dies gelingt nicht nur wie in Fig . 3 dargestellt mit
gekrümmten Kugel- oder Rotationsellipsoidflächen. Dementsprechend wird der Teller beispielsweise in Form einer Halbkugel oder eines
Rotationsparaboloids geformt. Die Differenz der Tellerradien eines Rotationsparaboloids, bezogen auf die äußeren Oberfläche eines Tellers vom Befestigungsbereich an der Rotorachse bis zum äußeren Rand des Tellers kann den Erfordernissen entsprechend angepasst werden. Wird die Differenz der Radien des Tellers zu gering gewählt, so ist der mit der vorliegenden Erfindung erreichbare verbesserte Wirkungsgrad nicht voll erreichbar. Wird jedoch die Differenz der Radien des Tellers zu klein gewählt, so wird der Spalt am Außenrand der Teller zu klein und der Druckverlust beim
Durchströmen wird wieder erhöht. Somit ist eine optimale
Spaltentwicklung zwischen zwei Tellern von innen nach außen
anzustreben, beispielsweise innen Sl = 1 mm und außen S2 = 0.3 mm.
Ein steilerer Winkel der Teller am Außenrand 10b bei gleichzeitig kleinerem Tellerspalt erhöht die Abscheidung. Neben den einfach geometrischen Grundformen, wie oben definiert, ist es
selbstverständlich auch möglich, verschiedene geometrische Formen der Teller miteinander zu kombinieren. So kann der Krümmungsradius und in gleicher Weise auch der Spalt zwischen den Tellern, von der
Rotationsachse ausgehend, zum Außenrand kontinuierlich oder
diskontinuierlich abnehmen, durch Kombination verschiedener
geometrischer Formen. So lassen sich beispielsweise auch
Kugelsegment mit an sich bekannten Kegelstumpfabschnitten
miteinander kombinieren.
Die Teller der erfindungsgemäßen Tellerseparatoren können aus den verschiedensten Materialien gefertigt sein. Erfindungsgemäß ist in diesem Zusammenhang von Bedeutung, dass hier die Teller auch aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff bestehen können. Damit wird ein Beitrag zur Gewichtsreduktion gegenüber metallenen Tellern geleistet. Besonders bevorzugter Kunststoff ist hier Polyamid, da dieses sehr gut verarbeitbar ist, insbesondere auch wenn das Kunststoffmaterial Glasfasern und/oder Carbonfasern umfasst.

Claims

Patentansprüche:
1. Tellerseparator (1), insbesondere für eine Entlüftungsvorrichtung eines Kurbelwellengehäuses einer Brennkraftmaschine, vorzugsweise eines Kraftfahrzeuges
-mit einem Gehäuse (2), in dem ein Rotor (3) drehbar gelagert ist, welcher sich im Betrieb dreht, der mehrere in Rotorlängsrichtung aufeinander gestapelte Teller (4) drehfest trägt und der im Gehäuse einen radial außenliegenden Reinraum (5) von einem radial
innenliegenden Rohraum (6) trennt,
- mit einem Rohgaseinlass (7), durch den ein mit Öl beladenes Gas in den Rohraum (6) gelangt,
- mit einem Reingasauslass (8) , durch den das von Öl befreite, gereinigte Gas vom Reinraum nach außen gelangt und
- mit einem Ölablauf (9) , durch den das abgeschiedene Öl vom
Reinraum nach außen gelangt,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberfläche wenigstens einer der Teller wenigstens teilweise in Form eines Kugelsegments oder eines Segments eines Rotationsellipsoids ausgebildet ist und
die Spalte Sl, S2 zwischen den Tellern von der Rotationsachse zum Außenrand kontinuierlich oder diskontinuierlich abnehmen.
2. Tellerseparator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Geometrie des Tellers einer einfachen oder mehrfachen Kombination von Kugelabschnitten entspricht.
3. Tellerseparator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel 10a nach außen hin kontinuierlich oder diskontinuierlich abnimmt.
4. Tellerseparator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Teller (4) aus Kunststoff, insbesondere faserverstärktem Kunststoff bestehen.
5. Tellerseparator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Polyamid ist.
6. Tellerseparator nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei faserverstärkten Kunststoffen die Fasern Glasfasern und/oder Carbonfasern umfassen.
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