CN104653249B - 用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置 - Google Patents

Abstract

本发明描述了一种用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置(50)。装置(50)包括外罩(52)以及在外罩中形成的腔体(54)，腔体(54)限定了纵轴x‑x。腔体(54)具有至少一个曲壁(56)，其被布置成引导流体流沿着曲壁(56)在弯曲路径上流动。第一进气管(60)沿着纵轴x‑x被设置在第一位置，以用于使流体流能够大致上沿着曲壁(56)的切线引入。第一进气管(60)限定第一通道(58)，流体流沿着该第一通道被引导。第一通道具有沿着由箭头Y示出的流体流动的方向减小的横截面积。腔体(54)的出口(62)沿着纵轴x‑x被设置在第二位置。

Description

用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置

技术领域

本发明涉及用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置，其中第一流体具有比第二流体更高的密度，以及涉及用于将夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒从第二流体的流中分离的组件和装置。具体地，但不是排他性地，本发明涉及用于在内燃机中将散布在窜漏气体中的油粒进行聚结和分离的装置和组件。

背景技术

内燃机由法律管理，法律限制了燃烧过程排放到大气的碳氢化合物和其他的衍生物。内燃机的制造商所面临的问题之一是如何管理当引擎运行的时候经过活塞泄漏进入到曲柄箱中的气体。这些气体被称为窜漏气体，其必须从曲柄箱通风以避免压力增强。但是，一些法律也要求将窜漏气体回收到引擎的进气歧管。

由于窜漏气体从活塞环、曲柄轴承以及曲柄的游隙处收集油粒，因此这是不可取的。在进入进气歧管之前，需要将上述油尽可能多的从窜漏气体移除。经过排气歧管的过量的油将导致不可接受的废气排放、进气阀污染以及引擎油耗增加。因此，需要油分离器以将散布在窜漏气体中的油粒分离。

参考图1，示出了连接到内燃机的气缸的曲柄箱2的已知类型的油分离器。曲柄箱2包括贮油槽4，油保存在其中以润滑引擎。窜漏的燃气沿箭头A的方向经过活塞6泄漏。但是，曲柄箱2中的压力必须保持在大气压处或大气压以下，并且曲柄箱因此必须通风以使得窜漏气体能够漏出。因此，通过通道8对曲柄箱通风。油分离室10连接到通道8，以致窜漏气体沿箭头B的方向进入分离室10。

可以仅通过在重力作用下从空气中落下而分离油。或者，可以在室10中设置若干挡板(未示出)以使油能够撞击在挡板上以收集并且然后脱落。然后，油或者返回贮油槽4或者被收集在单独的储油器中。分离室10具有回到气缸的进气歧管14的出口12。因此，在分离室10中移除了一些油，以致重新进入进气总管14的空气适合用于燃烧。

图1中示出的油分离器受到以下缺点的影响。仅将窜漏气体送入到室内且允许油在重力作用下分离不是特别有效的，且愈发严格的排放法规意味着需要将油分离器制作地更加有效且移除更大比例的油。在另一方面，商业和市场需求意味着制造成本必须缩到最小。此外，存在处于1到2微米范围内的超细颗粒形式的大量的油，且这些非常难从空气流中移除。在图1的示例中，已经发现这种类型的油分离器仅在移除具有大于5微米的尺寸的颗粒中有效，这是不够的。

参考图2，另一类型的已知分离器是旋风分离器20。旋风分离器20包括进气口22，空气经过该进气口22进入旋风室24。空气循环并下降，且油滴通过离心力被沉积在室24的壁上。较大的油粒也在重力的作用下落下。通过在室底部的具有挡板28的排出装置26将在室内收集的油移除。洁净空气以涡流的方式上升至出口30。

诸如图2中示出的示例之类的旋风分离器可有效移除具有约2微米的直径的油粒。但是，这样的旋风分离器受如下缺点的影响。已知的是，如果具有多个小旋风分离器，则对于相同的压降和空气流动的速率，在分离较小的颗粒方面它们比单个大的旋风分离器更有效。但是，设计并制造各自具有入口、出口和排出装置的多个旋风分离器可能复杂且昂贵。它们也可能难以安装到引擎中的可用空间内。由于成本的原因，经常将油分离器并入到凸轮罩中。这意味着分离器应该理想地需要相对较小的高度且被装入较浅的立方体积中。但是，旋风分离器通常不符合该要求。

US2003/0057151描述了具有轴向气体出口的多单元旋风分离器。

在US6110242和WO00/49933中描述了用于将固体从气体中分离且具有轴向气体出口的旋风分离器的进一步的示例。在这些文献中描述的旋风分离器具有轴向气体出口以使清洁的气体能够离开。如果气体与灰尘或其他固体一起切向地离开，则将不会完成分离。

EP1747054描述了旋风分离器的供替代的选择。描述了一种具有流通管的分离设备，在流通管中设置了所谓的螺旋状元件。在每一流动路径中，将具有逆时针螺距的螺旋状元件布置在具有顺时针螺距的螺旋状元件旁边。因此，将螺旋状元件布置成将经过流动路径的空气流在一个方向上扭转90度，并且然后将空气流在另一个方向上扭转90度。空气旋转的逆转意在将油珠从空气分离并将油珠聚结成更大的颗粒，然后通过下游分离器和挡板将该颗粒分离。

EP1747054的装置受下列缺点影响。在某些环境中，通过导致空气流在顺时针和逆时针螺旋状元件之间快速逆转，可以导致湍流，该湍流趋向于保持将油夹带在空气流中而不是将油分离。螺旋状元件还可能导致不可取的压降。最后，塑造像螺旋状元件的小特征可能是困难的。

在US6860915中提出了针对上文提及的问题的另一解决方案。描述了一种用于将油滴从窜漏气体中分离的三级分离器。第一级是初步分离器，其仅是具有挡板的室。第二级是螺旋管，空气以螺旋的路径流过螺旋管以使得油滴撞击该路径的外表面。第三级是过滤元件。

US6860915的装置受到其难以制造且还需要过滤器的缺点的影响。使用过滤器总是不可取的，因为过滤器变得堵塞且需要定期置换。

EP1767276描述了一种旋风分离器装置，其具有初步涡流室，以用于在粉状和粒状固体残渣经过用于分离的旋风分离器室之前积累该残渣。该装置受到具有较大的尺寸和低效的缺点的影响，这使得其不能用于将油从内燃机中的窜漏气体中分离。

WO2011/067336描述了一种用于将油从内燃机中的气流中分离的分离***。该***包括将气流送入到较大的旋风分离室内的多个小聚结装置。还期望的是提高该装置的聚结效率并且去掉对旋风室的需求。

发明内容

本发明的优选实施方式寻求克服现有技术的上述缺点。

根据本发明的一方面，提供了一种用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置，其中第一流体具有比第二流体更高的密度，该装置包括：

外罩；

被形成在外罩中的腔体，该腔体限定了纵轴且其具有至少一个曲壁，该曲壁被布置成引导流体沿着至少一个所述曲壁在弯曲路径上流动；

腔体的第一进气管，其沿着纵轴被设置在第一位置，以用于使流体流能够大致上沿着至少一个所述曲壁的切线引入，第一进气管限定了第一通道，流体流沿着该第一通道被引导，该第一通道具有沿着流体流动的方向减小的横截面积；

腔体的出口，其沿着纵轴被设置在第二位置，其远离第一位置，以用于使流体流能够大致上沿着至少一个所述曲壁的切线离开，其中，腔体被布置成引导流体在设置在腔体中的第一进气管的端部与出口之间沿着至少一个曲壁流动，以导致第一流体的颗粒聚结并从出口离开。

通过设置限定了具有沿着流体流动的方向减小的横截面积的第一通道的腔体的第一进气管，这提供了减小进入腔体的流体流的湍流以及确保流体流随着切线路径进入到腔体的优点。减小湍流并改进进入到腔体的切向和层流的流将压降缩小到最小并将第一流体的颗粒被聚结的量提升到更大的颗粒和液滴。

其结果是，由于液滴中流体的量与液滴半径的立方成正比，因此增加被聚结的颗粒的液滴尺寸大致上增加了在被聚结的液滴中的流体质量的量。因为较大的液滴较容易从流体流中移除，所以增加液体尺寸简化了将流体从气流中移除且显著地增加了从气流中移除的流体质量的量。

在优选的实施方式中，该装置进一步包括：

腔体的第二进气管，其沿着纵轴被设置在第三位置，以用于使流体流能够大致上沿着至少一个所述曲壁的切线引入，第二进气管限定了第二通道，流体流沿着该第二通道被引导，该第二通道具有沿着流体流动的方向减小的横截面积；

其中腔体的出口沿着纵轴被设置在第二位置，以用于在腔体中流动的所有流体大致上沿着至少一个所述曲壁的切线离开，且第二位置位于第一和第三位置之间；并且

其中腔体被布置成引导流体流在设置在腔体中的第一进气管的端部和出口、与设置在腔体中的第二进气管的端部和出口之间沿着至少一个曲壁流动，以导致第一流体的颗粒聚结并从出口离开。

这提供了使可以被处理以在腔体中聚结的流体量加倍的优点。如果在机动车辆的内燃机中使用该装置，则现代的内燃机中的油分离装置通常由注塑的塑料材料形成，且已经发现与注塑单一进气管和出口相比，以较少的额外成本注塑具有两个进气管和单一出口的聚结装置是简单的。因此，当通过较少的额外成本注塑形成时，这提供了改进装置的聚结功能的优点。

出口可以位于沿第一纵轴设置在腔体中的第一和第二进气管的端部的中点处。

至少一个所述曲壁的一部分可以是大致地圆柱形。

已经发现这是用于聚结流体颗粒的特别有效的腔体横截面，其也很容易通过注塑制造。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置，其中第一流体具有比第二流体更高的密度，该装置包括与如上文所限定的第二装置背靠背地安装的如上文所限定的第一装置。

这提供了可以以相对低的成本注塑的装置的优点，且这使得装置的聚结容量和能力加倍。

根据本发明的进一步的方面，提供了一种用于将夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒从第二流体的流中分离出来的组件，其中第一流体具有比第二流体更高的密度，该组件包括：

限定分离室的分离外罩；

沿着所述分离室的壁形成的多条肋条；以及

根据前述任意一项权利要求的装置，其被布置成使得该装置的出口引导夹带在第二流体的流中的第一流体的被聚结的颗粒进入到分离室，并撞击所述多条肋条的边缘，以导致所述第一流体的颗粒被保持在所述多条肋条之间并从所述第二流体的流体流中被移除。

这提供了增加从聚结装置的出口排放的流体流中移除的被聚结的流体颗粒的量的组件的优点。已经发现被聚结的流体颗粒(例如油滴)撞击多条肋条并被保持在多条肋条之间。多条肋条提供了具有凹槽的较大的表面面积，其保持并创建了流体层，以有助于收集与肋条接触的进一步的流体颗粒。这因此提高了组件的分离效率。

根据本发明的进一步的方面，提供了一种用于将夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒从第二流体的流中分离出来的装置，其中第一流体具有比第二流体更高的密度，该装置包括：

限定分离室的分离外罩；以及

沿着所述分离室的壁形成的多条肋条，其中，所述多条肋条被布置成使得夹带在第二流体的流中的第一流体的被聚结的颗粒撞击所述多条肋条的边缘，导致所述第一流体的颗粒被保持在所述多条肋条之间且从所述第二流体的流体流中移除。

已经及发现被聚结的流体颗粒(例如油滴)撞击多条肋条并被保持在多条肋条之间。多条肋条提供了具有凹槽的较大的表面面积，其保持并创建了流体层，该流体层有助于收集与肋条接触的进一步的流体颗粒。这因此改进了第一流体从第二流体的流中的分离。

附图说明

现在将仅通过示例的方式而不在任何限制性的意义上，参考附图描述本发明的优选实施方式，其中：

图1是包括现有技术的油分离器的内燃机的气缸的剖视图；

图2是现有技术的旋风油分离器的剖视图；

图3是本发明实施方式的用于将夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒从第二流体的流中分离出来的组件以及本发明实施方式的用于将夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒聚结的组合和装置的立体图；

图4是沿聚结装置的腔体的纵轴x-x所截取的图3的组件的剖视图；

图5是横穿聚结装置的腔体的轴x-x所截取的图3的组件的剖视图；以及

图6是示出分离装置的图3至图5的组件的***立体图。

具体实施方式

参考图3至图6，一种用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置50，其中第一流体具有比第二流体更高的密度(在图中未示出任何流体)，包括外罩52和在外罩中形成的腔体54，腔体54限定了纵轴x-x。腔体54具有至少一个曲壁56，曲壁56被布置成引导流体沿着曲壁56在弯曲路径上流动。

第一进气管60沿着纵轴x-x被设置在第一位置，其用于使流体流能够大致上沿着曲壁56的切线引入。第一进气管60限定了第一通道58，流体流沿着该第一通道58被引导。第一通道具有沿着由箭头Y示出的流体流动方向减小的横截面积。可以看到，第一通道58在纵向截面上大致上是喇叭状的，其沿着从开口61到设置在腔体54的内端64的其纵轴以及横跨该纵轴都具有减小的横截面。

腔体54的出口62沿着纵轴x-x被设置在第二位置，该第二位置与由进气管60的内端64限定的第一位置不同。出口62使得流体流大致上沿着曲壁56的切线离开。因此，腔体54被布置成引导流体沿着进气管60的内端64与出口62之间的曲壁流动，以导致第一流体的颗粒聚结并从出口62离开。

已经发现流体的混合物(例如夹带在进入第一进气管60的空气流中的油滴)通过第一通道58传送以在曲壁56的切线处进入腔体54。虽然可以使用诸如锥形腔体之类的其他形状，但是在所示出的实施方式中曲壁56是大致地圆柱形。通道58的减小的横截面积引导流体流以减小湍流，并在腔体54中和沿着曲壁56提供层流的、切向的空气流。流体流沿着曲壁56在进气管60的端部64与出口62之间的螺旋动作导致油滴聚结并从出口62离开。已经发现该装置将小于5微米的油滴聚结成具有足够大尺寸的油滴，以通过撞击到与流体流动的方向垂直的壁上而被分离或通过其他分离方法被分离。

腔体54的第二进气管70设置在第一进气管60的相对端。第二进气管70限定了第二通道72，第二通道72也是喇叭状的横截面，其具有沿着流体流动的方向Y减小的横截面积。因此，出口62位于第一和第二进气管60与70之间，且优选地位于中点处。这提供了针对空气流的两个进气管以增加在腔体54内处理和聚结的流体量。通过提供两个进气管60和70，已经发现该装置的制造成本大致上未增加，然而该装置的聚结能力被加倍。

参考图3、4和6，第二聚结装置150与第一聚结装置50背靠背地安装。第二聚结装置具有进气管160和170以及出口162，以使该装置的容量加倍，且以最小的额外制造成本使聚结能力加倍。

参考图3至6，用于将第一流体的颗粒从第二流体的流中分离的组件90包括限定分离室102的分离外罩100。多条肋条104沿着分离室102的壁形成。肋条在其之间限定了凹槽106。聚结装置50和150以弹性片108与凹槽110之间的过盈配合被安装在组件中。这将出口62和162定位成引导流体贴着肋条104流动，并因此引导气流中被聚结的流体颗粒贴着肋条104流动。

已经发现上述肋条趋向于将被聚结的流体液滴保持在凹槽106中，其累积以形成流体的层。已经发现这样增加了肋条104保持流体颗粒的能力。已经从中移除了第一流体的液滴的第二流体的流经过分离室102并通过管112离开。

现在将描述结合了装置50和150的、用于将第一流体从第二流体的流中分离的组件90，其中第一流体比第二流体密度更大。具体地，将描述在内燃机中用作将油从空气和其他气体的流中分离的油分离器的组件90的操作。在该方面，图3中示出的组件90大致上执行图1中示出的油分离器室10的功能并对其进行改进。

参考图3至6，进入内燃机(其一部分未被示出)的曲柄室的窜漏气体通常包括空气和油的混合物以及来自在引擎的气缸中的燃烧过程的产物。该流体的混合物增加了曲柄箱中的压力，其强迫气体进入流体进气管60、70、160和170。然后，导致进入进气管的流体在腔体54和154内部沿着曲壁56和156螺旋运动。这使得油滴沉积在曲壁56和156上，气流将这些油滴吹到出口62和162。因此，出口将被聚结的油滴吹出以贴着分离室102的内壁上形成的肋条104。

在肋条106之间形成的凹槽104捕获油滴，该油滴缓慢地积累并形成跨过肋条的油层。这创建了粘合面，该粘合面有助于保持贴着肋条104的吹的进一步的油滴。因此，已经将油清除的空气能够循环通过分离室102并离开管112，以被送回引擎的进气歧管中以在燃烧中被重新使用。然后，将所收集的油返回到贮油槽以重新使用。

已经发现组件90提供了以下优点：

i)其将窜漏气体中尺寸约为1微米的油粒聚结成较大的液滴；

ii)其无需维护，即，其无需更换过滤器；

iii)其导致了最小的压降以将曲柄箱压力过大的风险降到最低；

iv)其无需使用来自引擎的能量来进行分离；

v)其具有用于将引擎开发时间和成本缩到最小的可预测的性能；

vi)其可改变比例以适合不同尺寸和功率输出的引擎；

vii)其可以被轻易地封装到凸轮罩以及其他引擎组件中；以及

viii)简单的是由在引擎组件中使用的典型的热塑性塑料制造。

本领域的技术人员将明白，已经仅通过示例性的方式而不在任何限制性的意义上描述了上文的实施方式，且在不偏离如由所附权利要求所限定的本发明的范围的情况下可以进行各种变更和修改。例如，本装置可被用于被散布在任何类型的气体中的任何类型的液体颗粒。

Claims (5)

1.一种用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置，其中，第一流体具有比第二流体更高的密度，该装置为由注塑的塑料材料一体形成的装置，其包括：

外罩；

被形成在外罩中的腔体，该腔体限定了纵轴且其具有至少一个曲壁，该曲壁被布置成引导流体流沿着至少一个所述曲壁在弯曲路径上流动；

腔体的第一进气管，其沿着纵轴被设置在第一位置，以用于使流体流能够大致上沿着至少一个所述曲壁的切线引入，第一进气管限定第一通道，流体流沿着该第一通道被引导，第一通道具有沿着流体流的方向减小的横截面积；

腔体的出口，其沿着该纵轴被设置在远离第一位置的第二位置，以用于使流体流能够大致上沿着至少一个所述曲壁的切线离开，其中，腔体被布置成引导流体流在设置在腔体中的第一进气管的端部与出口之间沿着至少一个曲壁流动，以使第一流体的颗粒聚结并从出口离开，

所述腔体的第二进气管，其沿着所述纵轴被设置在第三位置，以用于使流体流能够大致上沿着至少一个所述曲壁的切线引入，第二进气管限定了第二通道，流体流沿着该第二通道被引导，该第二通道具有沿着流体流的方向减小的横截面积；

其中，所述腔体的出口沿所述纵轴被设置在所述第二位置，以用于在所述腔体中流动的所有流体大致上沿着至少一个所述曲壁的切线离开，且所述第二位置在所述第一位置和第三位置之间；并且

其中，所述腔体被布置成引导流体流在设置在所述腔体中的所述第一进气管的所述端部和出口、与设置在所述腔体中的第二进气管的端部和出口之间沿至少一个所述曲壁流动，以使所述第一流体的颗粒聚结并从所述出口离开。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述出口沿着所述第一纵轴位于设置在所述腔体中的所述第一进气管和第二进气管的所述端部之间的中点处。

3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，至少一个所述曲壁的一部分是大致的圆柱形。

4.一种用于聚结夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒的装置，其中，第一流体具有比第二流体更高的密度，该装置包括与根据权利要求1-3中任一项的第二装置背靠背地安装的根据权利要求1-3中任一项的第一装置。

5.一种用于将夹带在第二流体的流中的第一流体的颗粒从第二流体的流中分离出来的组件，其中，第一流体具有比第二流体更高的密度，该组件包括：

分离外罩，其限定分离室；

多条肋条，其沿着所述分离室的壁形成；以及

根据权利要求1-3中任一项的装置，其被布置成使得该装置的出口引导夹带在第二流体的流中的第一流体的被聚结的颗粒进入到分离室，并撞击所述多条肋条的边缘，以使所述第一流体的颗粒被保持在所述多条肋条之间并从所述第二流体的流体流中移除。