CN1662730A - 净化曲轴箱气体的方法和设备 - Google Patents

Abstract

在净化内燃机(31；41)运行期间在其曲轴箱内产生的曲轴箱气体时，使用了离心分离器(34；50)，其包括转子，它设置为通过驱动马达(9；49)转动并设置为通过其转动将曲轴箱气体从曲轴箱经管路(51)吸入离心分离器。在内燃机(31；41)运行期间感测参数，例如测量内燃机(31；41)的负载，所述参数的大小与曲轴箱内每单位时间产生的曲轴箱气体数量有关。根据所感测的参数的感测的变化，离心分离器(34；50)转子的转速以这样一种方式变化，即，使曲轴箱内的气体压力在内燃机(31；41)运行期间保持在预定值，或在预定的压力范围内。

Description

净化曲轴箱气体的方法和设备

本发明涉及一种净化曲轴箱气体的方法和设备，该曲轴箱气体是内燃机运转其间在其曲轴箱内产生的。内燃机可用于不同目的，例如用于陆上、海洋或空中运输工具的推进，做机械功或用于固定式或移动式发电装置。

净化曲轴箱气体需要净化设备，其可以有效地分离悬浮在曲轴箱气体中的极为细小的固体和/或液体微粒。现已提出了不同类型的净化设备，如传统的过滤器、旋风分离器或各种带旋转件的离心分离器。近来，提出了一种相对先进的离心分离器用于这种净化工作，并且也提出了各种方法以便驱动这些种类的离心分离器。因此建议用于此种目的的离心分离器应通过一种常用的内燃机轴进行机械驱动，例如曲轴或凸轮轴(例见US 5,954,035)。另一种建议是离心分离器应通过电动马达驱动(例见WO 01/36103)。还有一种建议是流体、气体或液体应该通过内燃机增压并用来驱动与离心转子连接在一起的用于净化曲轴箱气体的各种各样的涡轮机(例见WO 99/56883)。

如果不考虑这种净化由内燃机产生的曲轴箱气体的设备的种类，那么很难避免净化设备的操作会对在内燃机曲轴箱内占主导地位的曲轴箱气体压力造成影响。要么是净化设备对需要净化的曲轴箱气体产生一种反压力，其可能导致曲轴箱内发生不需要的过压，要么是净化设备在其入口处对需要净化的曲轴箱气体产生一定的负压，其可能会扩散到内燃机曲轴箱内并造成曲轴箱内产生不需要的负压。在许多情况下都需要将曲轴箱内的压力保持在一定的压力范围内，即在内燃机工作期间它不能超过某个第一值也不能低于某个第二值。

所述问题在理论上可以通过诸如不同种类的压力感测控制阀得到解决。然而，对于这种阀的压力灵敏度要求很高，而且这些要求也很难在使用所述阀的环境中得到满足。

本发明的目的是提供一种方法和设备，用来净化在内燃机运转期间在其曲轴箱内产生的曲轴箱气体，通过该方法和设备可在内燃机的曲轴箱内维持预定的气体压力或将气体压力维持在预定的压力范围内。

为满足这一目的，本发明建议：

——采用包括离心转子的离心分离器，该转子设置为通过驱动马达转动并设置为通过其转动将曲轴箱气体从曲轴箱吸入离心分离器；

——感测参数，其大小与曲轴箱内每单位时间内产生的曲轴箱气体数量有关；以及

——响应于感测的所述参数的变化以这样的方式改变离心转子的转速，即，使曲轴箱内的气体压力在内燃机运转期间维持在预定值或维持在预定的压力范围内。改变离心转子的转速可以逐步完成或连续完成。

通过本发明，甚至在内燃机上的负载发生变化时也可能会令人满意地对其产生的曲轴箱气体进行净化，同时还可在内燃机曲轴箱内维持需要的气体压力。本发明基于这样一种理解，即所使用的离心分离器不必在内燃机全部运行时间内以同样的分离效率操作，且离心分离器的净化效率和吸入效率可以通过改变离心转子的转速来控制。这样，当每单位时间内产生的曲轴箱气体量相对较少时，对曲轴箱气体进行有效净化可以以比当每单位时间内产生的曲轴箱气体量相对较多时所需的离心转子的转速低得多的转速来实现。

通过采用离心分离器，其离心转子设置为当其转动时从曲轴箱内吸取曲轴箱气体，从而不再需要额外的泵或风扇来将曲轴箱气体从曲轴箱内传输至并通过离心分离器。

当采用内燃机推进车辆时，在推进车辆的速度和内燃机曲轴箱内产生的曲轴箱气体数量之间通常有一个给定的关系。然而，情况并非总是如此，例如当内燃机用来生成电流时情况就并非如此。因而，曲轴箱内产生的曲轴箱气体越多，内燃机上的负载就越多，而不管内燃机曲轴是以增加的转速驱动，还是以大致不变的转速驱动。与电流生成有关，即当内燃机设置为用于转动发电机时，该内燃机可以在电流生成发生变化时以大致不变的转速保持运转。在这种情况下，发电机在运转期间可以调节，以便能够在恒定的内燃机转速下根据变化的这样电流需要产生不同数量的电流。

感测内燃机曲轴箱内每单位时间产生的曲轴箱气体数量的变化可以用不同的方法进行。例如，可以感测曲轴箱内的气体压力或曲轴箱与离心分离器之间连接处的气体压力。可选的，可以感测在所述连接中的曲轴箱气体流。

可选的是，所述被感测的参数可以是指示内燃机上现行的负载或立刻达到的负载的参数种类。因而，在通过由内燃机操作的发电机生成电流方面，经过预备性的经验试验后，离心转子的速度可以根据对电流变化的需求的连续感测而控制，这一点就是靠发电机来满足的。根据知道这样一种变化的需求是如何影响到内燃机负载，并因而知道在每单位时间内产生的曲轴箱气体的数量，可以用一种适当的方式对离心转子的转速进行调节。例如，发电机产生的效应可以被感测和引发，以生成能够随该效应变化而变化的控制信号。控制信号的大小可以看作是对驱动发电机的内燃机上负载的测量，因而可以表示内燃机曲轴箱内产生的曲轴箱气体的数量。在一个实际的情况中，控制信号可以在4-20mA的范围内根据内燃机上的发电机负载而变化，并且转动离心转子的相应速率范围可以使内燃机曲轴箱内的气体压力保持在0-4mbar的压力范围内。

如开头所述，用于净化曲轴箱气体的离心转子可以采用多种不同方式驱动。本发明可独立于所选择的用来驱动离心转子的设备而适用。有利的是用电动马达来驱动离心转子，并且在这样一种情况下，最好用变频机来改变马达的转速。

在大型卡车类的现代化车辆和工作机上，通常都安装了计算机网络。以前已知的这样一种计算机网络称为CAN总线(CAN为控制器区域网络)。这种计算机网络最好包括车辆计算机，并与许多配置在车辆不同部分和内燃机上的不同传感器连接，在这种计算机网络中，有许多与车上现行各种功能和条件相关的可用数据。可得的数据例子可以是：

——当前发动机速度

——当前发动机上负载

——车辆驾驶员所需要的发动机负载(车辆油门踏板上的当前压力)

——发动机温度

——环境空气温度

——车速

——新发动机工作后的总运转时间

——新发动机工作后的车辆驾驶距离

——发动机最后一次启动后的运转时间

当然，根据车辆存在什么部件，在这种网络中还可得到许多其它数据。通过与网络连接的车辆计算机，各种数据可以组合并转换成各类控制信号，以控制车辆上的各类功能，例如根据本发明用于控制曲轴箱气体净化的信号。

在根据本发明的设备的优选实施例中，用于改变离心分离器转速的设备可以包含译码装置或选择装置，其适于只接收或选择这种信息源中若干可得数据中的某一类数据，所述控制设备适于被这种接收或选择的数据驱动，并且依次根据其改变电动马达转速。不管是否有上述类型计算机网络，在本发明的有利实施例中的净化设备最好可连接到设置为感测内燃机所产生的曲轴箱气体数量实际变化的传感器上。

以下参照附图对本发明进行更详细地描述，其中图1所示为一个由电动马达驱动的离心分离器的例子，该离心分离器可以包含在根据本发明的设备中；图2为沿图1的II-II线所取的截面图；图3示意性示出了装备了根据本发明的设备的车辆；和图4示意性示出了用于生成电流的设备，其中包括根据本发明的内燃机和设备。

在图1中，示出了可以安装在车辆上，用于净化悬浮在曲轴箱气体中微粒的离心分离器的截面图，微粒的密度大于气体。离心分离器包括限定腔室2的壳体1。所述壳体形成要被净化的气体通向腔室2的进气口3和已净化的气体从腔室2排出的出气口4。所述壳体还形成腔室2的微粒出口5，以排出已从气体中分离的微粒。

壳体1包括两部分，这两部分用多个螺钉6保持在一起。这些螺钉6也可适于将壳体固定在由某种弹性材料构成的吊杆7上，通过它，壳体可以支撑在所述车辆(未示出)上。

在腔室2内，设置可围绕垂直旋转轴线R转动的转子8。设置电动马达9，以转动转子8。转子8包括垂直延伸的心轴10，其上端通过轴承11和轴承座12轴颈连接在壳体1中，下端通过轴承13和轴承座14轴颈连接在壳体1中。轴承座14位于壳体的进气口3中，并因此为要在腔室2中净化的进气设置了通孔15。

转子8还包括上端壁16和下端壁17，所述两端壁与心轴10相连。下端壁17的中心部分设置有通孔18，以便使转子的内部可以与进气口3相通。而且，下端壁17设置有环状凸缘19，其设置为与轴承座14的相似的环状凸缘20配合，以便使通过进气口3进入的气体通过刚才所述的孔18导入转子8的内部。凸缘19和20可以相互完全密封，但是它们之间进行完全密封不是必须的。

下端壁17定形为与空心柱21成一个整体，该空心柱从端壁17向上轴向延伸并紧密地围绕在心轴10上。空心柱一直向上延伸至上端壁16。在空心柱21的区域，心轴10为圆柱形，由于成本的原因最好用圆柱形，空心柱21的内部以与心轴外部同样的方式形成。如图2所示，空心柱21的外部有一个非圆形截面形状。

在端壁16和17之间设置一组套圆锥形隔离盘22。其中每一个盘都有形成为锥形物的平截头体的一部分，和一个与其一体形成的平面部分23，其与空心柱21最近。如图2所示，所述平面部分形成为使其可以以这样的方式与非圆形柱体21接合，即，使隔离盘应该不能相对空心柱21转动。而且平面部分23设置有几处通孔24。不管在不同隔离盘22上的孔24是否轴向对准，它们都与隔离盘22中心部分之间的空间一起在转子内部形成一中心进入空间25(见图1)，其与进气口3相通。

为了清楚起见，图上只示出了几个有较大轴向空间的隔离盘22。在实践中，可以在端壁16和17间安排更多的隔离盘，以便能在其间形成相对较薄的空间。

图2示出了隔离盘22的侧边，其在图1中面朝上。下面称这侧边为隔离盘的内部，因为它面向向内朝向转子的转动轴线的方向。如所见，隔离盘在它的内部设置有几个细长肋26，其在这一隔离盘和位于该盘组套中上面最近的隔离盘间形成间隔件。在两个隔离盘间空间内的邻近肋26之间，为要净化的气体形成了流道27。如图2所示，肋26沿曲线延伸，且至少在所述盘的径向外圆周部分与隔离盘母面形成了一个角。由于肋26的弯曲形状，用于要被净化的气体的流道27也沿以一种相应的方式弯曲的通道延伸。所述肋26最好大体延伸通过每个隔离盘的整个圆锥部分，并在隔离盘径向外侧周围边的附近结束。

环状空间28围绕在壳体1内转子8的周围并构成腔室2的一部分。

上述离心分离器早已为人所知，其功能在WO 01/36103中作了详尽的描述。对这一功能可做如下简要描述。

转子8通过电动马达9围绕垂直轴线R转动。由内燃机(未示出)产生的、即将从悬浮在其中的油微粒以及还可能是固体微粒中分离的曲轴箱气体通过进气口3进入，并在转子8中的中心空间25中向上传导。曲轴箱气体从那里被导入隔离盘22圆锥部分之间的空间，在那里被送入转子的转动中。由于转动，悬浮在气体中的微粒被作用于隔离盘内部的离心力甩出来从而被分离，然后这些微粒在隔离盘上径向向外朝向隔离盘的围边滑动，或以液体的形式运动。微粒从这些周围边以成团或聚结的形式被向外朝向固定壳体1的周围壁甩出来，它们沿固定壳体1的周围壁向下移动并进一步通过微粒出口5出来。

从微粒中分离出的曲轴箱气体从隔离盘22之间的空间流出到环状空间28，其通过出气口4排出。

离心分离器的分离效率或净化效率在很大程度上取决于离心转子8的转速。转速越大，分离效率越大。通过控制电动马达9的转速，离心分离器的净化效率可以得到改变。即使在非转动状态，由于不得不几次改变曲轴箱气体的流动方向并使其在通过离心转子时流过狭窄通道，离心转子也有一定的净化效率，虽然这一净化效率很小。

依靠其结构，所述离心分离器适于通过进气口3吸入不纯的曲轴箱气体，并依靠一定的过压将净化的曲轴箱气体通过出气口4抽出来。其原因在于，进入的不转动的曲轴箱气体被导入离心转子的中心进入空间25，然后开始转动，同时其在隔离盘22之间去往围绕壳体1内的转子8的环状空间28的途中被净化。因此，环绕空间28内的曲轴箱气体比中心空间25内的曲轴箱气体压力大。在这方面重要的是出气口4距离离心转子转动轴线R的距离要比中心进气口3距其的距离大。

图3示出了一车辆30和由其支撑的且设置为用于推进车辆的内燃机31。内燃机31也设置为用于操作与蓄电池33连接的电流发生器32。车辆30还装备了如图1和图2所示种类的离心分离器34。导管35设置为用于将受污染的曲轴箱气体从内燃机31的曲轴箱传导至离心分离器的进气口，导管36和37设置为用于将净化的曲轴箱气体和从曲轴箱气体中分离出来的微粒和油分别导回到内燃机。净化的气体被导入内燃机的进气口，分离的微粒与分离的油一起被导回内燃机的所谓油盘。可选的是，净化的气体可以被释放到周围空气中，同时分离的微粒和油可以被收集进分离容器。

图3还示出了电动马达9，其可以从图1中看到，电动马达9设置为用于驱动离心分离器转子8。设置了控制设备38与电动马达9相连，所述控制设备38适于以变化速度驱动电动马达9。用于给自己和电动马达供电的控制设备38与电流发生器32和蓄电池33相连。

在车辆30上还安装了计算机网络，其包括车辆计算机39和所谓的数据总线40。大量的各种类型的传感器连接在计算机网络上，用于收集有关车辆不同功能的数据。所述的控制设备38也连接在这一计算机网络上，从该网络收集信息以连接和切断电动马达9或通过控制设备改变电动马达的转速。通过与计算机网络的连接，信息也能被传送到那里，如电动马达和离心分离器的条件与操作状态，以及受污染及已净化的曲轴箱气体中污染物的等级。

上述电动马达9可以是直流马达或交流马达；或是同步马达或异步马达。根据电动马达的类型，控制设备38可以采用多种对电动马达领域的普通技术人员不言自明的不同方式设计。

如果控制设备38连接到上述类型计算机网络，那么该设备处理来自车辆上不同传感器的信号的能力就不会特别复杂化。换句话说，在类似的情况中，上述车辆计算机装备为用来进行所需的这种信号处理和产生驱动电动马达用的控制信号。在这种情况下的控制设备38必须包括译码装置(接口)，通过该装置控制设备38可以从计算机网络选择正确的信号，然后用该信号来控制电动马达的转速。

在最简单的情况下，控制设备可以包括继电器，其设置为用于通过接收到的控制信号开始或停止电动马达的运转。这种继电器可能有输入电路，其可以由用来控制离心分离器34的分离效率的数据影响，和输出电路，其设置为用来根据这些数据改变电动马达9的转速。

然而，控制设备最好包括能以不同速度驱动电动马达9的设备；其作用要么是使得获得有限的几种速度，要么是使得能够连续改变马达的转速。各种用于调节马达转速的设备(包括直流和交流马达)已为人所知，这里无需再进一步描述。对直流马达可以使用简单装置进行电压控制。对交流马达则可以使用多种不同的频率拉制设备。这种设备可用于依靠直流电或交流电来产生可变频率的交流电。

不论控制设备是否复杂，它都应使电动马达的操作能够在内燃机仍在运行的过程中被中断，例如在内燃机空转驱动或以低于某个值的速度运转时能够中断电动马达的操作。如果需要，在内燃机已经启动后或内燃机已经达到一定的转速后，电动马达的操作可以手动切断和/或自动连接。电动马达应适于以48伏电压或更低的电压，例如14、28或42伏操作。

至于用于控制或调节电动马达转速的信号，它可以是许多不同的可变要素的函数。因而，可以包括下列要素中的一个或多个，如：

——内燃机曲轴箱中的气体压力

——内燃机进气口的气体压力

——内燃机的转速

——内燃机上的负载

——环境空气温度

——内燃机的润滑油温度

——内燃机的总运转时间

如果没有上述种类的计算机网络，电动马达的转速可以通过直接从某种适合的传感器传送给控制设备38的数据进行调节或控制。例如，可以以某种方法设置传感器，以感测内燃机每一时刻产生的曲轴箱气体数量。对所产生曲轴箱气体数量的测量可以通过内燃机曲轴箱内的现行压力或曲轴箱与所述离心分离器之间的曲轴箱气体通道内的现行压力形成。所产生曲轴箱气体的另一种测量可以通过所述通道内现行气体流的值形成。

如果所产生曲轴箱气体的数量在不改变离心转子8的转速下改变，离心分离器进气口3的曲轴箱气体压力就会改变。因而，如果曲轴箱气体产生减少，以被保持的转速运动的转子8会比从内燃机吸入曲轴箱气体前效率更高，由此进气口3的压力将会下降。这意味着，内燃机31曲轴箱内的气体压力也会下降。但是这种压力下降是可以由前面所述的控制设备38避免，控制设备38可以使电动马达9降低其转速并因此使离心转子8的转速也下降。

即使是在以这种方式下降的转速下，离心转子8也会有效地净化从其中通过的曲轴箱气体。这之所以可能，是因为在这一阶段，每单位时间内内燃机31产生的不纯的曲轴箱气体数量在减少，而且这种曲轴箱气体会因此在其在隔离盘22之间的途中增加在离心转子中的维持时间。由此，尽管离子转子8在减速下转动，它会有时间有效地从油和固体微粒中分离出来。

当控制设备38得到信号表明曲轴箱气体的产生再次增加时，离心转子8的转速也会提高。

图4示意性示出一种用于生成电流的装置。该装置可以是固定式和陆基式或移动式和置于如船上。该装置包括内燃机41，其设置为通过传送装置42来驱动发电机43。发电机设置为通过线路44、效应测量设备45和连接46向耗电设备(未示出)供电。

内燃机41的转速可以变化，但最好在该装置运行期间基本保持不变。发电机43是一种可以在内燃机速度基本恒定的情况下提供变化效应的设备。发电机43输出效应的变化可以通过内燃机41上的发电机引起负载的相应变化，而不管变化如何其转速保持不变。

当发电机43有效应输出时，其可以通过效应测量设备45来感测，此时会产生一个微弱控制电流，其通过连接47导向变频器48。控制电流的大小随效应输出的大小变化，即随内燃机41上负载的大小而变化。变频器连接在设置为以变速驱动离心分离器50的离心转子的电动马达49上。离心分离器50与图1和3所示离心分离器的种类相同。

曲轴箱气体从内燃机41的曲轴箱通过管路51导入离心分离器50，离心转子8将曲轴箱气体通过进气口(见图1)吸入。净化的曲轴箱气体通过管路52从离心分离器出气口4送回至内燃机41。从曲轴箱气体中分离的油和一些固体微粒经管路53从离心分离器的微粒出口5被送回内燃机41。

当内燃机41因发电机42而承受相对重的负载时，每单位时间内在其曲轴箱内产生的曲轴箱气体数量相对较大。曲轴箱气体在离心分离器50中被净化，其离心转子在这一阶段通过电动马达49以相对高的转速保持转动。这一转速由连接47中的控制信号和变频器48至电动马达49的频率控制信号的某一值决定，它通过控制电流产生，该转速对离心分离器来说足够高，使其能够接收和净化因此而产生的全部数量的曲轴箱气体，同时将内燃机曲轴箱内的气体压力保持在一个可接受的数量上。

在不同的阶段，当内燃机所受发电机43的负载相对较小时，在内燃机曲轴箱内每单位时间内产生的曲轴箱气体数量也相对较小。由此在连接47上产生的控制信号的值与内燃机较高负载上产生的控制信号的值不同，并且会引起变频器48在相应程度上降低离心分离器50的转子的转速。因此，曲轴箱气体管路51内离心转子的吸入效率与曲轴箱内在这一新阶段产生的曲轴箱气体数量相适应，从而避免了在曲轴箱内产生重度的负压，以使曲轴箱内的气体压力仍旧保持在所需压力范围内。

Claims (11)

1.一种对在内燃机(31；41)运行期间在其曲轴箱内产生的曲轴箱气体进行净化的方法，其特征在于：

——使用离心分离器(34；50)，其包括离心转子(8)，该转子设置为通过驱动马达(9；49)转动并设置为依靠其转动从曲轴箱将曲轴箱气体吸到离心分离器(34；50)；

——感测参数，其大小与曲轴箱内每单位时间产生的曲轴箱气体数量有关；和

——响应于感测的所述参数变化以这样的方式改变离心转子(8)的转速，即，使曲轴箱内的气体压力在内燃机(31；41)运行期间保持在预定值上，或在预定的压力范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中离心转子(8)的转速从第一值变化到第二值，两值均大于零。

3.根据权利要求1所述的方法，其中离心转子(8)的转速以多于两步逐步变化。

4.根据权利要求1所述的方法，其中离心转子(8)的转速连续变化。

5.根据前述权利要求中的任何一项所述的方法，其中离心转子(8)的转速响应于感测的曲轴箱气体流的变化而变化，该曲轴箱气体流的变化是因内燃机(31；41)产生曲轴箱气体而发生的。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其中离心转子(8)的转速响应于感测的曲轴箱气体过压变化而变化，该曲轴箱气体过压变化是因内燃机(31；41)产生曲轴箱气体而发生的。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中感测是由随内燃机(31；41)的负载而变化的参数形成。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中用电驱动马达(49)来转动离心转子(8)和用变频器(48)来改变驱动马达(49)的转速，从而改变离心转子(8)的转速。

9.一种用于净化在内燃机(31；41)运行期间在其曲轴箱内产生的曲轴箱气体的设备，所述设备包括有离心转子(8)的离心分离器(34，50)，所述离心转子(8)设置为通过驱动马达(9；49)转动并设置为通过其转动将曲轴箱气体从曲轴箱吸到所述离心分离器，其特征在于：

——所述驱动马达(9；49)设置为以不同速度转动所述离心转子(8)；

——感测设备(45)设置为感测参数，其大小与所述曲轴箱内每单位时间产生的曲轴箱气体数量有关，

——所述感测设备(45)可操作地与所述驱动马达(9，49)相连；以及

——所述驱动马达(9；49)设置为响应于感测的所述参数变化来以这样的方式改变所述离心转子(8)的转速，即，使所述曲轴箱内的气体压力在所述内燃机(31；41)运行期间保持在预定值，或在预定的压力范围内。

10.根据权利要求9所述的设备，其中所述驱动马达(49)为电动的，且在所述感测设备(45)和所述驱动马达(49)之间连接了变频器(48)。

11.根据权利要求9或10所述的设备，其中所述感测设备(45)设置为感测参数，该参数与所述内燃机(41)在其运行期间所承受的负载有关。

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