DE112016001921T5

DE112016001921T5 - System und Verfahren zur Verwendung einer reibungsarmen Kontaktdichtung für einen rotierenden Tropfenabscheider

Info

Publication number: DE112016001921T5
Application number: DE112016001921.1T
Authority: DE
Inventors: Chirag D. Parikh; Christopher E. Holm; Peter K. Herman; Brian W. Schwandt; Lee A. Peck
Original assignee: Cummins Filtration IP Inc
Current assignee: Cummins Filtration IP Inc
Priority date: 2015-06-09
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2018-01-11
Also published as: CN107614841A; US10537842B2; CN107614841B; US20180169556A1; WO2016200895A1

Abstract

Es werden rotierende Tropfenabscheider-Kurbelgehäuseentlüftungssysteme (CV-Systeme) beschrieben. Die beschriebenen CV-Systeme verwenden eine Kontaktdichtung, um einen Spalt zwischen einer statischen Seite eines Gehäuses und einem rotierenden Tropfenabscheider-Einlass abzudichten. Der rotierende Tropfenabscheider kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder dergleichen angetrieben werden. Die Kontaktdichtung kann durch einen weichen Feststoff oder einen durch Öl erzeugten Flüssigkeitsfilm gebildet werden. Dementsprechend ist die Kontaktdichtung eine hydrodynamische Weichdichtung. Die Kontaktdichtung verhindert, dass die Leckgase das Filterelement des rotierenden Tropfenabscheiders umgehen. Gleichzeitig kann die Kontaktdichtung unter Umständen einer positiven Leckgas-Rezirkulation aufbrechen, da die Kontaktdichtung eine hydrodynamische Weichdichtung ist.

Description

BEZUG ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/173,074, eingereicht am 9. Juni 2015, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen ist.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Anmeldung betrifft Kurbelgehäuseentlüftungssysteme (engl.: crankcase ventilation – CV-Systeme), die rotierende Tropfenabscheidervorrichtungen verwenden.
HINTERGRUND
Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors kann ein Teil der Verbrennungsgase aus dem Verbrennungszylinder in das Kurbelgehäuse des Motors strömen. Diese Gase werden oft als „Leckgase” bezeichnet. Üblicherweise werden die Leckgase über ein CV-System aus dem Kurbelgehäuse geleitet. Das CV-System leitet die Leckgase durch einen Tropfenabscheider (d. h. ein Tropfenabscheider-Filterelement), um einen Großteil der in den Leckgasen enthaltenen Aerosole und Öle zu entfernen. Die gefilterten Leckgase werden dann entweder in die Umgebung entlüftet (in offenen CV-Systemen) oder zur weiteren Verbrennung zurück zum Lufteinlass für den Verbrennungsmotor geleitet (in geschlossenen CV-Systemen).
Viele CV-Systeme verwenden rotierende Tropfenabscheider. Rotierende Tropfenabscheider können Gewebefilter sowie zentrifugale Trennvorrichtungen beinhalten. Leistungsmerkmale von rotierenden Tropfenabscheidervorrichtungen können hinsichtlich des Druckabfalls (oder -anstiegs) durch die Vorrichtung und der Effizienz der Ölentfernung gemessen werden. Bei rotierenden Tropfenabscheidervorrichtungen werden die von den Leckgasen suspendierten und transportierten Öltröpfchen (z. B. Aerosol) im Tropfenabscheidermedium durch die Partikelfangmechanismen Trägheitsimpaktion, Abfangen und Diffusion auf die Fasern getrennt. Durch Rotieren des Mediums wird die Trägheitsimpaktion durch die zusätzliche Zentrifugalkraft verstärkt. Zusätzlich zu diesem Aspekt entfernt die Zentrifugalkraft, nachdem die Öltröpfchen zur Bildung von größeren Tropfen koaleszieren, die größeren Tropfen durch Überwindung der Schleppreibung der Medienfasern. Dieser Aspekt erhöht die Ansammlung und Absonderung des Öls aus dem Tropfenabscheider, indem im Vergleich zu einem stationären Tropfenabscheider eine verbesserte Ableitung bereitgestellt wird. Die verbesserte Ableitung von dem rotierenden Tropfenabscheiderfilter trägt wiederum zur Verbesserung der Filtrationseffizienz sowie zur starken Reduzierung des Druckabfalls über den Filter bei.
Da der rotierende Tropfenabscheider innerhalb eines statischen Filtergehäuses angeordnet ist, ist üblicherweise ein kleiner Spalt zwischen den rotierenden Komponenten und dem stationären Gehäuse vorhanden. Zum Beispiel kann ein Spalt zwischen dem statischen Einlass des Gehäuses und der rotierenden Einlassöffnung des rotierenden Tropfenabscheiders vorhanden sein. Dieser Spalt kann erlauben, dass ungefiltertes Aerosol, das in den Leckgasen enthalten ist, den rotierenden Tropfenabscheider umgeht, wenn der stromabwärtige Druck auf der sauberen Seite des rotierenden Mediums in der radialen Nähe des Spalts geringer ist als der stromaufwärtige Druck auf der schmutzigen Seite des rotierenden Mediums in der radialen Nähe des Spalts. Beispielhafte Spalte werden zum Beispiel in US-Patent Nr. 4,189,310 mit dem Titel „APPARATUS FOR REMOVING OIL MIST” von Hotta gezeigt (siehe z. B. die Spalte in 4). Das Vorbeiströmen von ungefilterten Leckgasen kann sich nachteilig auf die Effizienz des CV-Systems auswirken, insbesondere bei größeren Aerosolgrößen, für die das Filtermedium beim Entfernen sehr effizient ist. Eine Lösung ist die Verwendung eines rotierenden Tropfenabscheiders mit hoher Drehzahl, der den notwendigen Pumpdruck erzeugt, um eine positive Rezirkulation durch den Spalt zu bewirken (d. h., die Rezirkulation von bereits gefilterten Leckgasen von der sauberen Seite des Filtermediums zu der schmutzigen Seite des Filtermediums durch den Spalt). Die erhöhten mechanischen Belastungen, die durch die rotierenden Tropfenabscheider mit hoher Drehgeschwindigkeit verursacht werden, können jedoch die Ausfallsicherheit verringern und/oder Kosten erhöhen. Zusätzlich sind bestimmte Verbrennungsmotoren unter Umständen nicht mit den notwendigen Komponenten ausgestattet, um den rotierenden Tropfenabscheider mit der erforderlichen hohen Geschwindigkeit zu drehen, während eine angemessene Medienpermeabilität und -dicke beibehalten wird.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein CV-System. Das CV-System beinhaltet ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass. Der Einlass ist dafür konfiguriert, Leckgase von einem Verbrennungsmotor zu empfangen und die Leckgase an das Gehäuse bereitzustellen. Der Auslass ist dafür konfiguriert, gefilterte Leckgase von dem Gehäuse an mindestens einen von einem Einlass des Verbrennungsmotors und der Umgebung bereitzustellen. Das CV-System beinhaltet einen rotierenden Tropfenabscheider, der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der rotierende Tropfenabscheider beinhaltet eine Endkappe und ein Filtermedium. Das CV-System beinhaltet ferner einen Öleinlass. Der Öleinlass stellt Öl an einen Spalt zwischen einem stationären Abschnitt des Gehäuses und der Endkappe bereit, so dass durch das Öl, das während eines Betriebszustands des rotierenden Tropfenabscheiders in dem Spalt angeordnet ist, eine hydrodynamische Dichtung gebildet wird, wobei die hydrodynamische Dichtung eine negative Rezirkulation des Leckgase verhindert.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel bezieht sich auf ein CV-System. Das CV-System beinhaltet ein Gehäuse mit einem Einlass und einem Auslass. Der Einlass ist dafür konzipiert, Leckgase von einem Verbrennungsmotor zu empfangen und die Leckgase an das Gehäuse bereitzustellen. Der Auslass ist dafür konzipiert, gefilterte Leckgase von dem Gehäuse an mindestens einen von einem Einlass des Verbrennungsmotors und einer Umgebung bereitzustellen. Das CV-System beinhaltet ferner einen rotierenden Tropfenabscheider, der innerhalb des Gehäuses angeordnet ist, so dass ein Spalt zwischen einem Abschnitt des rotierenden Tropfenabscheiders und einem stationären Abschnitt des Gehäuses besteht. Das CV-System enthält eine Elastomerdichtung, die eine Dichtung zwischen dem rotierenden Tropfenabscheider und dem stationären Abschnitt des Gehäuses bereitstellt. Der rotierende Tropfenabscheider kann eine Endkappe und ein Filtermedium beinhalten.
Diese und andere Merkmale sowie die Organisation und Art ihrer Betätigung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen deutlich, wobei gleiche Elemente in den verschiedenen, nachstehend beschriebenen Zeichnungen durchgehend gleiche Bezugszeichen haben.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 ist eine Querschnittsansicht eines CV-Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 u. 3 sind Nahansichten eines Querschnitts von Abschnitten eines CV-Systems mit einer hydrodynamischen Weichdichtung.
4 ist eine Nahansicht eines Querschnitts von Abschnitten eines CV-Systems gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel.
5 ist eine vereinfachte Querschnittsansicht des CV-Systems der 1 bis 4.
6 ist eine Querschnittsansicht eines plissierten ringförmigen Filterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Mit allgemeinem Bezug auf die Figuren werden CV-Systeme mit rotierendem Tropfenabscheider beschrieben. Die beschriebenen CV-Systeme verwenden eine Kontaktdichtung, um einen Spalt zwischen einer statischen Seite eines Gehäuses und einem rotierenden Tropfenabscheider-Einlass abzudichten. Der rotierende Tropfenabscheider kann mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder dergleichen angetrieben werden. Die Kontaktdichtung kann durch einen weichen Feststoff oder einen durch Öl erzeugten Flüssigkeitsfilm gebildet werden. Dementsprechend ist die Kontaktdichtung eine hydrodynamische Dichtung oder Weichdichtung. Die Kontaktdichtung verhindert, dass die Leckgase das Filterelement des rotierenden Tropfenabscheiders umgehen. Die hydrodynamische Dichtung oder Weichdichtung kann als ein reibungsarmes Lager für den rotierenden Tropfenabscheider wirken. Die hydrodynamische Dichtung oder Weichdichtung ist für rotierende Tropfenabscheider-Anwendungen effektiv, bei denen eine positive Rezirkulation durch den Spalt, wo die Dichtung gebildet wird, ansonsten nicht gewährleistet werden kann. Solche Situationen können beispielsweise auftreten, wenn die Eingangsleistung (d. h., die Rotationsleistung) für den rotierenden Tropfenabscheider auf geringe Beträge beschränkt ist. Gleichzeitig kann die Kontaktdichtung unter Umständen einer positiven Leckgas-Rezirkulation (z. B. verursacht durch eine Pumpkraft, die durch einen rotierenden Tropfenabscheider und/oder innere radiale Schaufeln erzeugt wird) aufbrechen, da die Kontaktdichtung eine hydrodynamische Weichdichtung ist. In manchen Situationen kann die Kontaktdichtung durch eine auf die Dichtung selbst einwirkende Zentrifugalkraft aufgebrochen werden, sodass das Schleppmoment eliminiert wird, wenn die Geschwindigkeiten hoch genug sind, um eine positive Rezirkulation aufrechtzuerhalten.
Bezugnehmend auf 1 wird eine Querschnittsdarstellung eines CV-Systems 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das CV-System 100 beinhaltet einen Leckgas-Einlass 102, der Leckgas von einem Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors zu einem Gehäuse 104 des CV-Systems 100 empfängt. Der Einlass 102 ist mit dem Gehäuse 104 gekoppelt. Das Gehäuse 104 ist ein stationäres oder statisches Gehäuse. Das CV-System 100 beinhaltet einen Leckgas-Auslass (nicht dargestellt), der während des Betriebs des CV-Systems 100 gefiltertes Leckgas ausgibt. Der Auslass ist mit dem Gehäuse 104 gekoppelt. Der Auslass kann mit einem Lufteinlass des Verbrennungsmotors (z. B. in einer geschlossenen CV-Systemanordnung) gekoppelt sein oder kann in die Umgebung entlüften (z. B. in einer offenen CV-Systemanordnung). Das CV-System 100 beinhaltet einen rotierenden Tropfenabscheider 106, der in dem Gehäuse angeordnet ist. Der rotierende Tropfenabscheider 106 beinhaltet eine erste Endkappe 108 und eine zweite Endkappe 110. Es versteht sich jedoch, dass der rotierende Tropfenabscheider 106 in bestimmten alternativen Ausführungsformen auch eine einzelne Endkappe umfassen könnte. Ein Filtermedium 112 ist zwischen den ersten und zweiten Endkappen 108 und 110 angeordnet. In einigen Anordnungen umgibt ein Rahmen 114 eine Außenfläche des Filtermediums 112, um dem Filtermedium 112 strukturelle Unterstützung bereitzustellen, wenn sich der rotierende Tropfenabscheider 106 dreht. Der Rahmen 114 beinhaltet eine Vielzahl von radialen Schaufeln 115. Die radialen Schaufeln 115 wirken als Zentrifugalgebläse-Schaufeln, um zu einem Pumpdruck beizutragen, der durch den rotierenden Tropfenabscheider 106 erzeugt wird. Die Erzeugung des Pumpdrucks durch den rotierenden Tropfenabscheider 106 wird weiter unten ausführlicher beschrieben. In einigen Anordnungen umfasst das CV-System 100 eine flexible Dichtung 116, die zwischen einem rotierenden Einlassabschnitt der zweiten Endkappe 110 und dem Einlass 102 des statischen Gehäuses 104 angeordnet ist. Die flexible Dichtung 116 weist eine V-Form oder eine U-Form auf. Die flexible Dichtung 116 ist eine elastomere Dichtung. In einigen Anordnungen wird die flexible Dichtung 116 durch Formen der flexiblen Dichtung 116 über einen metallischen Trägerring versteift. In weiteren Anordnungen wird die flexible Dichtung 116 durch Einschluss einer spiralförmigen Schraubenfeder versteift, was dazu beiträgt, die Dichtungskraft der flexiblen Dichtung 116 über lange Zeiträume und/oder hohe Temperaturen zu erhöhen und/oder aufrechtzuerhalten. Die flexible Dichtung 116 bildet eine Buchse zwischen dem rotierenden Einlassabschnitt der zweiten Endkappe 110 und dem Einlass 102 des statischen Gehäuses 104. Die flexible Dichtung 116 kann eine Kontaktdichtung zwischen dem rotierenden Einlassabschnitt der zweiten Endkappe 110 und dem Einlass 102 des statischen Gehäuses 104 bilden. Die flexible Dichtung 116 kann in die rotierende zweite Endkappe 110 gepresst oder daran befestigt sein oder auf den stationären Abschnitt des statischen Gehäuses 104 (z. B. die stationäre Welle) gepresst sein. In Anordnungen, in denen die flexible Dichtung 116 in die rotierende zweite Endkappe 110 gepresst oder daran befestigt ist, tragen Zentrifugalkräfte an der flexiblen Dichtung 116 dazu bei, das durch die flexible Dichtung 116 verursachte Schleppmoment zu reduzieren.
Während des Betriebs wird der rotierende Tropfenabscheider 106 durch eine zentrale Welle 122, die mit dem rotierenden Tropfenabscheider 106 gekoppelt ist, entlang seiner Mittelachse 120 gedreht. Die ersten und zweiten Endkappen 108 und 110 sind an der zentralen Welle 122 derart befestigt, dass sich das Filtermedium 112 dreht, wenn sich die zentrale Welle 122 dreht. Wie in 1 gezeigt ist, wird die zentrale Welle 122 durch einen Elektromotor 124 gedreht. In alternativen Anordnungen wird die zentrale Welle 122 durch ein fluidbetriebenes Peltonrad (z. B. wie in 2 gezeigt), ein Kettenantriebssystem oder ein Riemenantriebssystem gedreht. Wenn sich der rotierende Tropfenabscheider 106 dreht, strömt Leckgas entlang des Strömungspfads 126 ein. Der Strömungspfad 126 lenkt das Leckgas in den Einlass 102, durch das Filtermedium 112 (wie durch die Pfeile 126 gezeigt) und über den Auslass aus dem Gehäuse 104 hinaus. Wenn die Leckgase durch das Filtermedium 112 strömen, wird Öl, das in dem Leckgas suspendiert ist, wie beispielsweise Aerosole, abgeschieden. Das abgeschiedene Öl wird am Boden des Gehäuses 104 gesammelt und über einen Ablauf 128 in das Kurbelgehäuse zurückgeleitet. In einigen Anordnungen wird das abgeschiedene Öl in einer Ablaufwanne 130 gesammelt, die in einem Bodenabschnitt des Gehäuses 104 angeordnet ist. Die Ablaufwanne 130 kann ein stationäres Teil sein, das mit dem Gehäuse 104 gekoppelt ist, oder einstückig mit dem Gehäuse 104 ausgebildet sein. In solchen Anordnungen kann die flexible Dichtung 116 zwischen der stationären Ablaufwanne 130 und dem rotierenden Einlassabschnitt der zweiten Endkappe 110 angeordnet sein.
Noch mit Bezug auf 1 dreht sich die flexible Dichtung 116 während des Betriebs mit der zweiten Endkappe 110. Wenn sich die flexible Dichtung 116 dreht, kann die Dichtung, die zwischen der flexiblen Dichtung 116 und dem Einlass 102 erzeugt wird, unter bestimmten Umständen aufgebrochen werden. Wenn zum Beispiel der Druck auf der schmutzigen Seite des Filtermediums 112 (P1) größer ist als der Druck auf der sauberen Seite des Filterelements (P2), können Leckgase die Dichtung zum Aufbrechen bringen, und die Leckgase können das Filtermedium 112 umgehen, wodurch eine negative Rezirkulation des Leckgases erzeugt wird. Die negative Rezirkulation reduziert die Gesamtfiltrationseffizienz des CV-Systems 100. Ferner tragen die auf die flexible Dichtung 116 wirkenden Zentrifugalkräfte dazu bei, dass sich die flexible Dichtung 116 nach außen biegt (d. h. zusammenfällt) und den Kontakt mit dem statischen Gehäuse 104 verliert, wenn die Geschwindigkeiten ausreichend hoch sind, um ein positives Rezirkulationspumpen der gefilterten Leckgase zu erzielen. Als weiteres Beispiel können, wenn der Druck auf der schmutzigen Seite des Filtermediums 112 (P1) kleiner ist als der Druck auf der sauberen Seite des Filtermediums 112 (P2), Leckgase die Dichtung zum Aufbrechen bringen, und die Leckgase können von der sauberen Seite des Filtermediums 112 positiv rezirkulieren. In diesem Beispiel wird die stromabwärtige Seite des rotierenden Tropfenabscheiders 106 nicht mit schmutzigem Leckgas kontaminiert, da durch den höheren P2 als P1 die negative Rezirkulation eliminiert wird. Eine höhere Drehgeschwindigkeit des rotierenden Tropfenabscheiders 106 ist erforderlich, um P2 größer als P1 zu halten (positive Rezirkulation). Das Verhältnis des Kontaktdrucks der flexiblen Dichtung 116 und der Druckdifferenz (P2 – P1) über den Spalt ist vorzugsweise größer oder gleich 1. Dementsprechend ist, wenn das Pumpverhältnis (d. h. P2/P1) kleiner als 1 ist, der Kontaktdruck der flexiblen Dichtung 116 größer als 1.
In einer alternativen Anordnung kann anstelle der V-förmigen oder U-förmigen flexiblen Dichtung 116 eine Lippendichtung verwendet werden. In solchen Anordnungen kann die Rotationsgeschwindigkeit des rotierenden Tropfenabscheiders 106 im Vergleich zu Anordnungen, die die flexible Dichtung 116 verwenden, reduziert werden, da die Lippendichtung eine höhere Druckdifferenz zwischen P1 und P2 mit einem geringeren Kontaktdruck als die flexible Dichtung 116 abdichten kann. Die höhere Druckdifferenz ermöglicht die Verwendung von dickeren, weniger porösen und effizienteren Filtermedien als in Anordnungen, die die flexible Dichtung 116 verwenden.
Wie weiter unten mit Bezug auf die 2 und 3 beschrieben ist, kann ein CV-System 200 zusätzlich zu oder anstelle der flexiblen Dichtung 116 des CV-Systems 100 eine hydrodynamische Weichdichtung verwenden. Die beschriebene hydrodynamische Weichdichtung des CV-Systems 200 verhindert, dass die Leckgase unter negativen Rezirkulationsbedingungen das Filtermedium 112 umgehen. Zusätzlich wird die hydrodynamische Weichdichtung durch Öl gebildet und sorgt für zusätzliche Schmierung der rotierenden Teile im Kontaktbereich der hydrodynamischen Weichdichtung. Somit ermöglicht die hydrodynamische Weichdichtung eine berührungslose und verschleißfreie Abdichtung zwischen dem rotierenden Tropfenabscheider und dem statischen Gehäuse 104.
Bezugnehmend auf 2 wird eine Nahansicht eines Querschnitts eines Bodenabschnitts eines CV-Systems 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das CV-System 200 ist ähnlich dem CV-System 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen dem CV-System 200 und dem CV-System 100 besteht darin, dass das CV-System 200 keine flexible Dichtung (z. B. flexible Dichtung 116 des CV-Systems 100) beinhaltet. Stattdessen verwendet das CV-System 200 eine hydrodynamische Weichdichtung. Dementsprechend werden beim Beschreiben der überlappenden Teile des CV-Systems 200 und des CV-Systems 100 dieselben Bezugszeichen verwendet. Die hydrodynamische Dichtung wird nachstehend ausführlicher beschrieben.
Wie in 2 gezeigt, besteht ein Spalt 202 zwischen der stationären Ablaufwanne 130 des Gehäuses und der zweiten Endkappe 110 des rotierenden Tropfenabscheiders 106. Eine zusätzliche Nahansicht eines Querschnitts des Bereichs des CV-Systems 200 in der Nähe des Spalts 202 wird in 3 gezeigt. In einigen Anordnungen ist der Spalt 202 ungefähr einen Millimeter groß. Wenn er nicht abgedichtet ist, kann Leckgas, das durch das CV-System 200 strömt, das Filtermedium 112 des rotierenden Tropfenabscheiders 106 umgehen, indem es während des Betriebs des CV-Systems 200 durch den Spalt 202 strömt. Um dies zu verhindern, wird eine hydrodynamische Dichtung gebildet, die den Spalt 202 unter negativen Rezirkulationsbedingungen abdichtet.
Die hydrodynamische Dichtung wird durch Öl gebildet. Dementsprechend beinhaltet die Ablaufwanne 130 einen Öleinlass 204. Der Öleinlass ist mit einer Versorgungsleitung 206 gekoppelt, die mit einer Druckölversorgung 208 gekoppelt ist. In einigen Anordnungen ist die Versorgungsleitung 206 ein flexibler Schlauch, der durch eine Öffnung im Boden des Gehäuses 104 geführt wird. Die Druckölversorgung 208 stellt über die Versorgungsleitung 206 unter Druck stehendes Öl an den Öleinlass 204 bereit. In einigen Anordnungen treibt die Druckölversorgung 208 auch die Drehung des rotierenden Tropfenabscheiders 106 an (z. B. durch Drehen eines Peltonrads 210). Das Öl kann Schmieröl von einem Schmiersystem des Verbrennungsmotors sein. Der Öleinlass 204 führt dem Spalt 202 Öl zu. Das Öl, das durch den Öleinlass 204 zugeführt wird, wird in einer im Wesentlichen gleichförmigen Weise über den gesamten Spalt verteilt, wenn sich der rotierende Tropfenabscheider 106 dreht. Die Umfangsverteilung des Öls kann durch Einbeziehung einer Umfangsnut (z. B. der Umfangsnut 302, wie in 3 gezeigt) weiter verbessert werden. Das Öl in dem Spalt 202 bildet einen hydrodynamischen Film aus flüssigem Öl, der eine weiche, hydrodynamische Dichtung zwischen der Ablaufwanne 130 und dem rotierenden Einlassabschnitt der zweiten Endkappe 110 erzeugt. Das Öl in dem Spalt 202 bildet im Wesentlichen eine Buchse zwischen dem rotierenden Einlassabschnitt des rotierenden Tropfenabscheiders 106 und dem Einlass 102 des statischen Gehäuses 104. Überschüssiges Öl wird in der Ablaufwanne 130 gesammelt und auf die gleiche Weise wie abgeschiedenes Öl von den Leckgasen, die durch das CV-System 200 verarbeitet werden, in das Kurbelgehäuse zurückgeführt.
In einigen Anordnungen trägt eine Umfangsnut 302 in der vertikalen Komponente der Ablaufwanne 130 dazu bei, die Bildung der hydrodynamischen Dichtung zu erleichtern. Die Umfangsnut 302 umschreibt die vertikale Komponente der Ablaufwanne 130 vollständig. Bei Anordnungen, bei denen die Umfangsnut 302 in einer Kunststoff-Ablaufwanne 130 ausgebildet ist, sind besondere Konstruktionserwägungen erforderlich. In einigen Anordnungen ist die Öffnung des Einlasses 204 über einem Bodenabschnitt 304 des Spalts 202 angeordnet, was es ermöglicht, beim Erzeugen des Einlasses 204 während des Spritzgießens der Ablaufwanne 130 einen kurzen Kernstift zu verwenden. Zusätzlich sollte eine Länge des Formstifts 306 kurz bleiben, um ein Verziehen des Stifts 306 und des Öleinlasses 204 während der hohen Einspritzdrücke zu verhindern. Der Stift 306 umfasst Widerhaken 308, die die Zufuhrleitung 206 an dem Stift 306 und dem Öleinlass 204 sichern.
Die hydrodynamische Dichtung, die durch das Öl in dem Spalt 202 gebildet wird, weist unterschiedliche Eigenschaften auf, die zumindest teilweise von der Temperatur des Öls abhängen. Je warmer das Öl, desto weniger viskos wird das Öl. In Anordnungen, in denen das Öl kalt und viskoser ist (z. B., wenn der Verbrennungsmotor kalt ist), verursacht das Öl eine höhere Schleppkraft am rotierenden Tropfenabscheider 106, als wenn weniger viskoses (d. h. wärmeres) Öl den Spalt 202 füllt. Die höhere Schleppkraft bewirkt, dass sich der rotierende Tropfenabscheider 106 mit einer geringeren Geschwindigkeit dreht, als wenn das wärmere, weniger viskose Öl verwendet würde. Da sich der rotierende Tropfenabscheider 106 mit einer niedrigeren Geschwindigkeit dreht, wird der Pumpdruck reduziert, was potentiell eine Leckgas-Umgehungssituation mit negativer Rezirkulation durch den Spalt 202 erzeugt. Das viskosere Öl bildet jedoch eine stärkere hydrodynamische Dichtung als wärmeres, weniger viskoses Öl. Selbst wenn der Pumpdruck niedriger ist, was zu einem niedrigeren P2 führt, dichtet somit die stärkere hydrodynamische Dichtung den Spalt 202 wirksam ab und verhindert, dass Leckgase das Filtermedium 112 umgehen. In Anordnungen, in denen das Öl warm und weniger viskos als das kalte Öl ist, verursacht das Öl einen geringeren Widerstand am rotierenden Tropfenabscheider 106, und der rotierende Tropfenabscheider 106 kann sich mit einer höheren Geschwindigkeit drehen. Da sich der rotierende Tropfenabscheider 106 mit einer höheren Geschwindigkeit dreht, wird der Pumpdruck erhöht, was aufgrund eines positiven Rezirkulationseffekts die Wahrscheinlichkeit einer Leckgas-Umgehung durch den Spalt 202 verringert. Dementsprechend umgeht Leckgas, obwohl das wärmere Öl eine schwächere hydrodynamische Dichtung bildet, das Filtermedium 112 nicht, indem es durch den Spalt 202 strömt. In einigen Anordnungen bricht bei Verwendung des wärmeren Öls das Drehen des rotierenden Tropfenabscheiders 106 die hydrodynamische Dichtung auf, dies ist jedoch wegen der positiven Rezirkulation, die durch den Pumpeffekt verursacht wird, der durch den rotierenden Tropfenabscheider 106 erzeugt wird, nicht erforderlich. Wie oben erläutert, wird die hydrodynamische Dichtung durch Öl gebildet, das durch die Umfangsnut 302 fließt und gegen die zweite Endkappe 110 abdichtet. In anderen Anordnungen kann die hydrodynamische Dichtung durch eine labyrinthförmige Nut (d. h. eine Nut, die auch axiale Komponenten beinhaltet) oder einen axialen Kreuzversatz (z. B. wie unten unter Bezugnahme auf 4 beschrieben) gebildet werden.
Bezugnehmend auf 4 wird eine Nahansicht eines Querschnitts eines CV-Systems 400 mit einer hydrodynamischen Dichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das CV-System 400 ähnelt dem CV-System 200 von 2 und 3. Das CV-System 400 unterscheidet sich von dem CV-System 200 in der Weise, in der die hydrodynamische Dichtung gebildet ist. Dementsprechend werden beim Beschreiben der überlappenden Teile des CV-Systems 400 und des CV-Systems 200 dieselben Bezugszeichen verwendet. Das CV-System 400 beinhaltet eine Ablaufwanne 402. Die Ablaufwanne 402 beinhaltet einen Öleinlass 404 und einen Stift 406 mit Widerhaken 408. Der Öleinlass 404 und der Stift 406 sind mit einer Druckölversorgung gekoppelt (z. B. in der gleichen Weise, wie oben in Bezug auf das CV-System 200 beschrieben wurde). Der Öleinlass 404 stellt Öl an eine Nut 410 bereit, die in dem Verlängerungsabschnitt 402 ausgebildet ist. Die zweite Endkappe 110 des rotierenden Tropfenabscheiders 106 beinhaltet eine Zunge 412. Die Zunge 412 erstreckt sich teilweise in die Nut 410 hinein. Ein Spalt 414 besteht zwischen der Zunge 412 und der Nut 410 und ist durch diese bestimmt. Das in die Nut 410 über den Öleinlass 404 bereitgestellte Öl bildet eine hydrodynamische Dichtung zwischen der Nut 410 und der Zunge 412, die den Spalt 414 auf die gleiche Weise, wie oben in Bezug auf das CV-System 200 beschrieben wurde, wirksam abdichtet. Die Kreuzversatz-Konstruktion des CV-Systems 400 bietet den zusätzlichen Vorteil der Bereitstellung einer axialen Vibrationsdämpfung des rotierenden Tropfenabscheiders in Bezug auf das Gehäuse. Die durch das Kreuzversatz-System gebildete hydrodynamische Dichtung kann jedoch ein höheres Schleppmoment an dem rotierenden Tropfenabscheider verursachen als im CV-System 200. Außerdem benötigt das CV-System 400 weniger Öl, um die hydrodynamische Dichtung zu bilden, da das Öl in der Nut 410 zurückgehalten wird, anstatt wie im CV-System 200 entlang der Seite der Ablaufwanne 402 nach unten zu fließen.
In den oben beschriebenen CV-Systemen (CV-System 100, CV-System 200 und CV-System 400) kann die Dichtung am Innendurchmesser des stationären Teils (z. B. der Ablaufwanne 130), am Außendurchmesser des stationären Teils, am Innendurchmesser des rotierenden Teils (z. B. der zweiten Endkappe 110) oder am Außendurchmesser des rotierenden Teils angeordnet sein. Die hydrodynamische Dichtung reduziert im Allgemeinen den Energieverbrauch, der zum Drehen des rotierenden Tropfenabscheiders erforderlich ist, im Vergleich zu einer herkömmlichen rotierenden Wellendichtung (z. B. flexible Dichtung 116) und sorgt für CV-Systeme, die trotz des geringeren Energieverbrauchs einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufweisen.
Bezugnehmend auf 5 wird eine schematische Ansicht eines CV-Systems 500 gezeigt. Das CV-System 500 ist repräsentativ für die CV-Systeme 100, 200 und 400. Das CV-System 500 verwendet ähnliche Bezugszeichen, um die gleichen Komponenten zu beschreiben, wie sie in den CV-Systemen 100, 200 und 400 gezeigt sind. Das CV-System beinhaltet einen Spalt 502. Der Spalt 502 ist repräsentativ für den Spalt 202, den Spalt 414 und den Spalt, der von der flexiblen Dichtung 116 abgedichtet wird. Wie oben in Bezug auf die CV-Systeme 100, 200 und 400 erörtert, tritt der Leckgasstrom entweder durch das Filtermedium 112 oder durch den Spalt 502 hindurch. Die Strömungsaufteilung zwischen der Strömung durch den Spalt 502 und dem Filtermedium 112 hängt vom Druckabfall über den Spalt hinweg, dem Filtermedium 112 und jeglicher innerhalb des Spalts angeordnete Dichtung (z. B. die oben erörterte hydrodynamische Dichtung, flexible Dichtung 116 usw.) ab.
Wenn sich der rotierende Tropfenabscheider 106 dreht, erzeugt das Filtermedium 112 einen Zentrifugal-„Pumpen”-Druck aufgrund seiner Drehgeschwindigkeit „ω”, was unter bestimmten Umständen einen höheren Druck P2 an der äußeren (stromabwärtigen oder sauberen) Seite des Filtermediums 112 erzeugen kann als P1 auf der inneren (stromaufwärtigen oder schmutzigen) Seite des Filtermediums 112. Diese Drucksituation tritt auf, wenn bestimmte Konstruktionskriterien des CV-Systems 500 erfüllt sind. Die Konstruktionskriterien beziehen sich auf die Größe der Drehgeschwindigkeit „ω”, die Flussrate „Q”, die Abmessungen D₀, D₁, D₂, D₃ und die durchschnittliche intrinsische Permeabilität des Filtermediums 112 „κ” in der ungefähren Richtung der Gasströmung durch das Filtermedium 112. Wie in 3 veranschaulicht, wenn der Druck P2 > P1 ist, dann liegt eine „positive” Rezirkulation vor, wodurch ein Teil des gefilterten Gases von der sauberen Seite des Filtermediums 112 durch den rotierenden Spalt 502 zu der stromaufwärtigen, schmutzigen Seite des Filtermediums 112 zurückkehrt und somit rezirkuliert, wodurch kein Verlust an Filtrationseffizienz bewirkt wird. In einigen Anordnungen tragen die radialen Schaufeln 115 ebenfalls zum Pumpdruck bei. Alternativ kann gesagt werden, dass wenn der Druck P2 < P1 ist, eine „negative” Rezirkulationvorliegt, wodurch ein bedeutender Prozentsatz des mit Aerosol beladenen Leckgases durch den Spalt 502 zu der sauberen Seite des Filtermediums 112 gelangen kann, wodurch das Filtermedium 112 umgangen wird, was eine Verringerung der Filtrationseffizienz bewirkt. Während der negativen Rezirkulationssituationen verhindern die oben beschriebene hydrodynamische Dichtung oder Weichdichtung und die flexible Dichtung 116 die negative Zirkulation. Unter ausreichend starken positiven Rezirkulationsbedingungen kann jedoch die hydrodynamische Dichtung oder Weichdichtung aufgebrochen werden und somit die positive Rezirkulation von Leckgas durch den rotierenden Tropfenabscheider 106 ermöglicht werden.
Unter Bezugnahme auf die negativen Rezirkulationssituationen, in denen die verschiedenen Kontaktdichtungen eine negative Rezirkulation über einen ausreichend weiten Bereich von Differenzdruck P1 zu P2 verhindern, ist es wünschenswert, Filtermedien mit hohen Effizienzeigenschaften zu verwenden. Beispielsweise für Medien mit einer größeren Anzahl von hydraulischen Radien, wie durch den dimensionslosen Parameter von
definiert, kann erwartet werden, dass sie eine höhere Aerosolabscheidungseffizienz aufweisen, da physikalische Eigenschaften der Medien, die zu einer größeren Anzahl von hydraulischen Radien führen, wie beispielsweise kleinerer Faserdurchmesser, geringere Porosität oder größere Dicke, auch dazu führen, dass rotierende poröse Tropfenabscheidervorrichtungen eine höhere Aerosolabscheidungseffizienz aufweisen. Daher können die Bedingungen definiert werden, die mit einem Betrieb bei einem niedrigstmöglichen Druckabfall oder innerhalb eines zulässigen Druckabfalls mit hoher Effizienz vereinbar sind. Zum Beispiel wird dies beschrieben, wenn Gleichung 1 erfüllt ist (Gleichung 1 bezieht sich auf ringförmige, nicht-plissierte Medien), und der resultierende Wert für den Druck, P1, überschreitet nicht einen zulässigen Wert, der von dem Motorhersteller festgelegt wurde, der das System einbaut.
Für verschiedene Motoranwendungen variiert dieser Druckwert, liegt aber bei kommerziellen Dieselmotoren häufig zwischen ungefähr –1 kPa und 7 kPa. Für ringförmige plissierte Elemente gilt die folgende Gleichung in ähnlicher Weise:
Gleichung 2 sollte erfüllt sein, und der sich ergebende Wert für den Druck, P1, überschreitet nicht einen zulässigen Wert, der von dem Motorhersteller festgelegt wurde, der das System einbaut.
Der rotierende Tropfenabscheider 106 kann Filtermedienanordnungen aufweisen, die einen Einzelschicht- oder Mehrschichtaufbau umfassen, in dem unterschiedliche physikalische Eigenschaften (z. B. Faserdurchmesser, Porosität usw.) in einer Reihe kombiniert sind. Für Anordnungen, die eine einzelne Schicht von Medien verwenden, ist die intrinsische Permeabilität des Filtermediums 112 unten in Gleichung 3 definiert. κ = v·μ·t / ΔP (3)
In Gleichung 3 hat κ die Dimensionseinheit einer Länge im Quadrat, V ist die Oberflächenfluidgeschwindigkeit durch das Medium 112, μ ist die Fluidviskosität, t ist die Mediendicke und ΔP ist der Druckabfall über das Medium 112 von einer stromaufwärtigen Position zu eine stromabwärtige Position.
Für Einzel- und Mehrschicht-Medienkonstruktionen ist die durchschnittliche intrinsische Permeabilität durch das Medium 112 durch Gleichung 4 definiert.
In Gleichung 4 steht n für die Anzahl der Medienschichten, t_i für die Dicke der Schicht „i” und κ_i steht für die intrinsische Permeabilität der Schicht „i”.

Ein einfaches numerisches Beispiel der durchschnittlichen intrinsischen Permeabilitätsberechnung für eine dreischichtige mehrschichtige Medienkonstruktion ist unten in Tabelle 1 gezeigt.

Schicht „n”	Schichtdicke	Intrinsische Perm. der Schicht	Dicke/Permeabilität
Schicht 1	0,2	5	0,04
Schicht 2	1	10	0,1
Schicht 3	5	20	0,25
Gesamtdicke:	6,2	Gesamtdicke/Permeabilität:	0,39
Durchschnittliche zusammengesetzte intrinsische Permeabilität: 15,9

Tabelle 1

Experimentell kann die durchschnittliche intrinsische Permeabilität einfach gemessen werden, indem der Luftstrom durch eine flache Probe des mehrschichtigen porösen Mediums unter kontrollierten Bedingungen der Gasviskosität (μ) und Oberflächengeschwindigkeit (v) aufrechterhalten wird, während der Druckabfall von der stromaufwärtigen Seite des Mediums zur stromabwärtigen Seite des Mediums gemessen wird. Die durchschnittliche intrinsische Permeabilität wird unter Verwendung der obigen Gleichung 1 berechnet.

Wie oben erwähnt, wird eine positive Rezirkulation des Leckgases durch die Spalte der oben beschriebenen CV-Systeme erzielt, wenn P2 > P1 ist (alternativ ausgedrückt als P2/P1 > 1). Wenn P2 > P1 ist, ist die Dichtung kontaktlos. Diese Situation kann erzielt werden, indem gezielt eine optimale Kombination der folgenden kritischen Parameter für den rotierenden Tropfenabscheider 106 und das CV-System 100 ausgewählt wird. Tabelle 2 beschreibt die verschiedenen Konstruktionsparameter, die bei der Berechnung der optimalen CV-Systemkonstruktion zur Erzielung der positiven Rezirkulation verwendet werden.

Symbol	Beschreibung	Einheiten
ρ	Gasdichte	kg/m³
ω	Drehzahl	rad/s
h	Medienhöhe	m
D₀	Innendurchmesser des rotierenden ringförmigen Abschnitts des Elements	m
D₁	Medieninnendurchmesser	m
D₂	Medien-/Rotoraußendurchmesser	m
D₃	Elementaußendurchmesser	m
μ	Gasviskosität	kg/m·s
v	kinematische Gasviskosität	m²/s
Q	Gasflussrate	m³/s
κ	durchschnittliche intrinsische Permeabilität der Medien	m²

Tabelle 2

Wie im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, werden unterschiedliche Optimierungen der Konstruktionsparameter in Abhängigkeit davon verwendet, ob das Filtermedium 112 aus einem plissierten porösen Medium oder einem nicht-plissierten porösen Medium besteht.
In Anordnungen, in denen das Filtermedium 112 ein ringförmiges poröses, nicht-plissiertes Medium ist, wird P2 > P1 beibehalten, wenn die Bedingung der Gleichung 5 erfüllt ist, und die Dichtung ist kontaktlos, was zu einer positiven Gasrezirkulation durch den Spalt führt.
In anderen Anordnungen ist das Filtermedium 112 ein ringförmiges poröses plissiertes Medium. Zum Beispiel wird eine Querschnittsansicht eines plissierten ringförmigen Filterelements 600 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Wie in 6 gezeigt, sind die Falten des plissierten ringförmigen Filterelements 600 innerhalb der ringförmigen Zone angeordnet, die durch den Außendurchmesser D₂ und den Innendurchmesser D₁ bestimmt wird. Die zusätzlichen Terme, die zum Bestimmen der optimierten Größe und Anordnung des plissierten ringförmigen Filterelements 600 erforderlich sind, sind die Anzahl der Falten (N) und die Dicke der Medien senkrecht zur Strömungsrichtung durch die Medien (t, gemessen in m). Die Anzahl der Falten muss größer als 2 sein und ist üblicherweise größer als 10. Dementsprechend tritt für Anordnungen, die das plissierte ringförmige Filterelement 600 verwenden, eine positive Gasrezirkulation auf, wenn die Bedingung von Gleichung 6 erfüllt ist und die Dichtung kontaktlos ist.
Wie in den Gleichungen 5 und 6 gezeigt, können unterschiedliche CV-Systemkonstruktionen mit sehr unterschiedlichen Größen, Betriebsgeschwindigkeiten und/oder Flussraten Filtermedien mit wesentlich unterschiedlichen intrinsischen Eigenschaften erfordern. Zum Beispiel sind Dieselmotor-CV-Anwendungen für Straßen- und Geländefahrzeuge üblicherweise durch praktische Erwägungen eingeschränkt, wie z. B. Platz in der Nähe des Motors, verfügbare Energie zum Induzieren der Drehung des rotierenden Tropfenabscheiders und die Stärke von wirtschaftlich verfügbaren Konstruktionsmaterialien. Dementsprechend ist es bevorzugt, rotierende poröse oder faserige Medien-Tropfenabscheider zu entwerfen, die für mehrere verschiedene Anwendungen verwendet werden können und die einen Bereich von gemeinsamen Filtermedium-Eigenschaften über einen sehr weiten Bereich von Motorgrößen und Betriebsgeschwindigkeiten und -größen des rotierenden Tropfenabscheiders teilen.
Ein engerer Bereich von Werten für bevorzugte Anordnungen von rotierenden Tropfenabscheidern mit porösen Medien kann unter Verwendung eines dimensionslosen Parameters von
definiert werden, der die durchschnittliche Anzahl der hydraulischen Radien durch die Dicke der Medien in Strömungsrichtung darstellt. Beispielhafte Konstruktionsparameter und ungefähre maximale bevorzugte Werte von N_hyd für ringförmige, nicht-plissierte Tropfenabscheider im Betrieb bei Nichtkontaktierung der Dichtung sind unten in den Tabellen 3 bis 6 angegeben.
Beispielhafte Konstruktionsparameter und ungefähre maximale bevorzugte Werte von N_hyd für ringförmige, plissierte Tropfenabscheider im Betrieb bei Nichtkontaktierung der Dichtung sind unten in den Tabellen 7 bis 10 angegeben.
Wie oben in den Tabellen 3–10 gezeigt, zeigen spezielle Ausführungsformen von rotierenden Tropfenabscheidern für Kurbelgehäuseentlüftungsanwendungen von Dieselmotoren im Allgemeinen, dass Werte für N_hyd von weniger als ungefähr 3000 erforderlich sind, um eine Umgehung des ungefilterten Stroms durch den Zwischenraum, der besteht, wenn die Dichtung nicht in Kontakt steht (d. h. die Dichtung verhindert nicht die negative Rezirkulation), zu vermeiden, wobei in einigen Fälle Werte kleiner als 3000 erforderlich sind. Diese Ausführungsformen, die für Motorhubräume im Bereich von 3–30 Litern und Leckgas-Flussraten von 75–750 aufgeführt sind, sind über einen weiten Bereich von kommerziellen Benzin-, Diesel-, Erdgas- oder anderen alternativ betriebenen Motoranwendungen anwendbar. In Situationen, in denen die Dichtung während des Betriebs in Kontakt bleibt, ist die Anzahl der in den Tabellen 3 bis 10 angegebenen hydraulischen Radien größer als die in den Tabellen 3 bis 10 aufgeführten Werte.
Bevorzugte Werte von N_hyd neigen dazu, von der Dicke der verwendeten Medien abzuhängen. Bei vielen Anordnungen von ringförmigen, nicht-plissierten Medien in Situationen der Nichtkontaktierung der Dichtung schließen bevorzugte Maximalwerte für N_hyd die folgenden ein: 500 für Medien mit 0–0,5 mm Dicke, 700 für 0,5–1 mm dicke Medien, 1000 für 1–2 mm dicke Medien, 1300 für 2–4 mm dicke Medien, 1800 für 4–8 mm dicke Medien, 2300 für 8–15 mm dicke Medien, 3000 für 15–30 mm dicke Medien und 4000 für > 30 mm dicke Medien. In vielen Anordnungen von ringförmigen plissierten Medien schließen bevorzugte Maximalwerte für N_hyd während des Betriebs mit einer kontaktfreien Dichtung die folgenden ein: 800 für Medien mit 0–0,5 mm Dicke, 950 für 0,5–1 mm dicke Medien, 1400 für 1–2 mm dicke Medien, 1700 für 2–4 mm dicke Medien und 2000 für 4–8 mm dicke Medien und etwas größer Werte für Medien, die dicker als 8 mm sind. Nichtsdestotrotz wäre es möglich, dass bestimmte Anwendungen mit sehr unterschiedlichem physischen Einbauraum und anderen konkurrierenden Konstruktionszielen die Effizienzvorteile der positiven Rezirkulation bei höheren oder niedrigeren Werten als den oben gelehrten beibehalten, sodass es vorteilhaft sein kann, einfach die Einhaltung der Kriterien für die maximale Anzahl von hydraulischen Radien für ringförmige, nicht-plissierte poröse Filterelemente bzw. plissierte poröse Filterelemente beizubehalten, sodass der Rezirkulationsfluss beibehalten wird.
Gleichung 7 definiert die Kriterien für die maximale Anzahl von hydraulischen Radien für ringförmige, nicht-plissierte poröse Filterelemente, und Gleichung 8 definiert die Kriterien für die maximale Anzahl von hydraulischen Radien für ringförmige plissierte poröse Filterelemente, und oberhalb dieser Werte wäre es zu erwarten, dass im Fall von kontaktfreien Dichtungen ungefiltertes Gas vorbeiströmen würde.
Darüber hinaus ist die Filtrationseffizienz des faserförmigen Tropfenabscheiders üblicherweise höher für Elemente mit Medien, die eine größere Gesamtzahl von hydraulischen Radien in Strömungsrichtung aufweisen, da die Poren oder Fasern klein sind oder die Anzahl von Gelegenheiten für Aerosoltröpfchen und Partikelmaterial, in dem Medium abgefangen zu werden, größer ist, wenn der Fluss von oben nach unten durch die Medien strömt. Somit können in der Nähe der oben erwähnten maximalen Anzahlen der hydraulischen Radien optimale Konstruktionen für die insgesamte Aerosolfiltrationseffizienz gefunden werden. Die Berücksichtigung von Schwankungen in den Anwendungsbedingungen (z. B. Motorverschleiß, der zu einem Anstieg in Leckgas-Flussraten führt, Fest- oder Halbfeststoffverunreinigungen, die durch das Filtermedium abgefangen werden, die den Fluss durch das Medium weiter einschränken, usw.) legen nahe, dass optimale Werte die Anzahl der hydraulischen Radien weniger als die oben angegebenen Werte für kontaktfreie Dichtungen sein können. Während Konstruktionen mit Filtermedien, die wesentlich niedrigere Anzahlen von hydraulischen Radien aufweisen, wie z. B. 10, mit hoher Wahrscheinlichkeit zu positiver Rezirkulation führen, ist ihre insgesamte Aerosol-Filtrationseffizienz nicht so hoch wie die derjenigen, die gemäß den oben beschriebenen Methoden optimiert sind. Für bestimmte Produkte, die primär für das Ziel höchster Effizienz ausgelegt sind, kann daher eine Reihe geeigneter Werte für N_hyd definiert werden. In vielen Anordnungen umfassen bevorzugte Bereiche des Parameters für ringförmige, nicht-plissierte Medienelemente die folgenden: 75–500 für 0–0,5 mm dicke Medien, 100–700 für 0,5–1 mm dicke Medien, 130–1000 für 1–2 mm dicke Medien, 160–1300 für 2–4 mm dicke Medien, 200–1800 für 4–8 mm dicke Medien, 300–2200 für 8–15 mm dicke Medien, 400–3000 für 15–30 mm dicke Medien und 600–4000 für > 30 mm dicke Medien. Für ringförmige plissierte Medienelemente, schließen bevorzugte Wertebereiche für N_hyd die folgenden ein: 120–800 für Medien mit 0–0,5 mm Dicke, 140–950 für 0,5–1 mm dicke Medien, 180–1400 für 1–2 mm dicke Medien, 240–1700 für 2–4 mm dicke Medien und 300–2000 für 4–8 mm dicke Medien und etwas größere Werte für Medien, die dicker als 8 mm sind. Diese Bereiche legen Werte fest, bei denen ein optimaler Kompromiss besteht zwischen: (a) der Ineffizienz poröser Medien aufgrund geringer Aerosolgröße, übermäßiger Größe von Poren oder Fasern oder übermäßiger Porosität und (b) der Ineffizienz des rotierenden Tropfenabscheider-Filtersystems insgesamt aufgrund einer potentiellen Umgehung der ungefiltert Strömung durch den Spalt, der durch das kontaktfreie Dichtungsspiel erzeugt wird.
Die Beziehungen, die in den Gleichungen 7 und 8 dargelegt sind, werden abgeleitet, indem der positive Pumpdruck gegen den negativen Druckabfall (dP) über dem Filterelement berücksichtigt wird, wie unten in den Gleichungen 9 bis 13 dargelegt ist. In den Gleichungen 9–13 entspricht R dem Radius des angegebenen Durchmessers wie oben definiert.
und definitionsgemäß:
Dementsprechend ist das Ziel für rotierende CV-Systeme mit ringförmigen Medien, bei denen die Dichtung kontaktfrei ist (z. B. wie oben beschrieben), die Beziehung aufrechtzuerhalten, die oben in Gleichung 13 dargelegt ist.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sind nicht auf das Trennen von Öl und Aerosolen von Kurbelgehäuse-Leckgasen beschränkt. Die gleichen oder ähnliche Anordnungen und Prinzipien können in anderen Filtrationssystemen verwendet werden, die eine poröse Tropfenabscheidertechnologie verwenden, um Flüssigkeit von einem Gas-Flüssigkeits-Gemisch zu trennen.
In der vorstehenden Beschreibung werden bestimmte Begriffe ihrer Kürze, Klarheit und Verständlichkeit wegen verwendet. Damit sind keine unnötigen Einschränkungen impliziert, die über die Anforderungen des Stands der Technik hinausgehen, da solche Begriffe zu Beschreibungszwecken verwendet wurden und weit auszulegen sind. Die verschiedenen hierin beschriebenen Konfigurationen, Systeme und Verfahrensschritte können allein oder in Kombination mit anderen Konfigurationen, Systemen und Verfahrensschritten verwendet werden. Es ist zu erwarten, dass verschiedene Äquivalente, Alternativen und Modifikationen möglich sind.
Es gilt zu beachten, dass der Begriff „beispielhaft”, wie hier zur Beschreibung verschiedener Ausführungsformen verwendet, anzeigen soll, dass solche Ausführungsformen mögliche Beispiele, Darstellungen und/oder Abbildungen möglicher Ausführungsformen sind (und dass ein solcher Begriff nicht notwendigerweise darauf schließen lassen soll, dass solche Ausführungsformen außergewöhnliche oder hervorragende Beispiele sind).
Der hierin verwendete Begriff „verbunden” und Ähnliches bedeutet die direkte oder indirekte Verbindung von zwei Elementen miteinander. Diese Verbindung kann stationär (z. B. permanent) oder beweglich (z. B. entfernbar oder lösbar) geschehen. Diese Verbindung kann dadurch erreicht werden, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente untereinander integral als ein einheitlicher Körper ausgebildet sind, oder dadurch, dass die beiden Elemente oder die beiden Elemente und beliebige weitere Zwischenelemente aneinander befestigt sind.
Bezugnahmen hierin auf die Positionen der Elemente (z. B. „Ober-”, „Unter-”, „oben”, „unten” usw.) beschreiben lediglich die Ausrichtung der unterschiedlichen Elemente in den Figuren. Es gilt zu beachten, dass die Ausrichtung unterschiedlicher Elemente je nach anderen beispielhaften Ausführungsformen unterschiedlich ausfallen kann, und dass solche Variationen durch die vorliegende Offenlegung abgedeckt sein sollen.
Es sei darauf hingewiesen, dass der Aufbau und die Anordnung der verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen lediglich der Veranschaulichung dienen. Obwohl nur einige Ausführungsformen in dieser Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, erkennt die Fachwelt bei Lesen dieser Offenbarung unschwer, dass viele Modifikationen möglich sind (z. B. Variationen in Größen, Dimensionen, Strukturen, Formen und Abschnitten der verschiedenen Elemente, Werte von Parametern, Montageanordnungen, Verwendung von Materialien, Farben, Orientierungen usw.), ohne erheblich von den neuen Lehren und Vorteilen des hierin beschriebenen Gegenstands abzuweichen. Beispielsweise können Elemente, die als einstückig geformt dargestellt werden, aus mehreren Teilen oder Elementen konstruiert werden, die Position der Elemente kann umgekehrt oder anderweitig variiert werden, und die Art oder Anzahl separater Elemente bzw. Positionen kann geändert oder variiert werden. Die Reihenfolge oder Abfolge von einem Prozess oder Verfahrensschritten kann entsprechend alternativen Ausführungsformen verändert oder neu angeordnet werden, und Elemente aus verschiedenen Ausführungsformen können auf eine Weise kombiniert werden, die für den Durchschnittsfachmann verständlich ist. Weitere Ersetzungen, Modifikationen, Änderungen und Auslassungen können ebenfalls in der Konstruktion, den Betriebsbedingungen und der Anordnung der verschiedenen, beispielhaften Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Kurbelgehäuseentlüftungssystem, das Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen Einlass, der dafür konzipiert ist, Leckgase von einem Verbrennungsmotor zu empfangen und die Leckgase dem Gehäuse zuzuleiten; einen Auslass, der dafür konzipiert ist, gefilterte Leckgase von dem Gehäuse an mindestens einen von einem Einlass des Verbrennungsmotors und einer Umgebung bereitzustellen; einen rotierenden Tropfenabscheider, der im Gehäuse angeordnet ist, wobei der rotierende Tropfenabscheider Folgendes beinhaltet: eine Endkappe und ein Filtermedium und einen Öleinlass, der Öl an einen Spalt zwischen einem stationären Abschnitt des Gehäuses und der Endkappe leitet, so dass durch das Öl, das während eines Betriebszustands des rotierenden Tropfenabscheiders in dem Spalt angeordnet ist, eine hydrodynamische Dichtung gebildet wird, wobei die hydrodynamische Dichtung eine negative Rezirkulation der Leckgase verhindert.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 1, wobei der Öleinlass eine Nut, die den Spalt bestimmt, mit Öl versorgt.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 2, wobei die Endkappe eine Zunge beinhaltet, die sich teilweise in die Nut erstreckt und den Spalt weiter bestimmt.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 3, wobei die Zunge so strukturiert ist, dass sie eine axiale Schwingungsdämpfung des rotierenden Tropfenabscheiders in Bezug auf das Gehäuse bereitstellt.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 1, wobei die hydrodynamische Dichtung teilweise durch eine radiale Ölnut um einen Umfang des stationären Abschnitts des Gehäuses gebildet ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 1, wobei, wenn sich der rotierende Tropfenabscheider mit mehr als einer Schwellendrehgeschwindigkeit dreht und einen Pumpdruck erzeugt, der einen hohen Druck innerhalb des Gehäuses auf einer sauberen Seite des Filtermediums und einen niedrigen Druck auf einer schmutzigen Seite des Filtermediums verursacht, dadurch eine positive Rezirkulation der Leckgase verursacht wird, wobei ein Teil des bereits gefilterten Leckgases von der sauberen Seite des Filtermediums durch den Spalt zu der schmutzigen Seite des Filtermediums zurückströmt, so dass die hydrodynamische Dichtung aufgebrochen wird.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 1, wobei das Filtermedium nicht-plissiert ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 7, wobei das Filtermedium so ausgewählt ist, dass
erfüllt ist, wobei: ρ für die Gasdichte der Leckgase steht, ω für die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Tropfenabscheiders steht, h für eine Medienhöhe des Filtermediums steht, D₀ für einen Innendurchmesser eines rotierenden ringförmigen Abschnitts des rotierenden Tropfenabscheiders steht, wobei der rotierende ringförmige Abschnitt den Außendurchmesser des Spalts darstellt, D₁ für einen Innendurchmesser des Filtermediums steht, D₂ für einen Außendurchmesser des Filtermediums steht, D₃ für einen Außendurchmesser des rotierenden Tropfenabscheiders steht, μ für eine Viskosität der Leckgase steht, v für eine kinematische Viskosität der Leckgase steht, Q für eine Flussrate der Leckgase steht und κ für eine Permeabilität des Filtermediums steht.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 7, wobei das Filtermedium mehrere Schichten von Filtermedien umfasst.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 1, wobei das Filtermedium plissiert ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 10, wobei das Filtermedium so ausgewählt ist, dass
erfüllt ist, wobei: ρ für die Gasdichte der Leckgase steht, ω für die Drehgeschwindigkeit des rotierenden Tropfenabscheiders steht, h für eine Medienhöhe des Filtermediums steht, t für eine Dicke des Filtermediums steht, die senkrecht zu einer Strömungsrichtung durch das Filtermedium ist, N für eine Anzahl von Falten des Filtermediums steht, D₀ für einen Innendurchmesser eines rotierenden ringförmigen Abschnitts des rotierenden Tropfenabscheiders steht, wobei der rotierende ringförmige Abschnitt den Außendurchmesser des Spalts darstellt, D₁ für einen Innendurchmesser des Filtermediums steht, D₂ für einen Außendurchmesser des Filtermediums steht, D₃ für einen Außendurchmesser des rotierenden Tropfenabscheiders steht, μ für eine Viskosität der Leckgase steht, v für eine kinematische Viskosität der Leckgase steht, Q für eine Flussrate der Leckgase steht und κ für eine Permeabilität des Filtermediums steht.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 1, wobei der stationäre Abschnitt eine Ablaufwanne des Gehäuses ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem, das Folgendes umfasst: ein Gehäuse; einen Einlass, der dafür konzipiert ist, Leckgase von einem Verbrennungsmotor zu empfangen und die Leckgase dem Gehäuse zuzuleiten; einen Auslass, der dafür konzipiert ist, gefilterte Leckgase von dem Gehäuse mindestens an einen von einem Einlass des Verbrennungsmotors und einer Umgebung bereitzustellen; einen rotierenden Tropfenabscheider, der im Gehäuse angeordnet ist, so dass ein Spalt zwischen einem Abschnitt des rotierenden Tropfenabscheiders und einem stationären Abschnitt des Gehäuses besteht; und eine Elastomerdichtung, die eine Dichtung zwischen dem rotierenden Tropfenabscheider und dem stationären Abschnitt des Gehäuses bildet.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 13, wobei der rotierende Tropfenabscheider Folgendes beinhaltet: eine Endkappe und ein Filtermedium.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 14, wobei, wenn sich der rotierende Tropfenabscheider mit mehr als eine Schwellendrehgeschwindigkeit dreht und einen Pumpdruck erzeugt, der einen hohen Druck innerhalb des Gehäuses auf einer sauberen Seite des Filtermediums und einen niedrigen Druck auf einer schmutzigen Seite des Filtermediums verursacht, eine positive Rezirkulation der Leckgase einen Abschnitt der Elastomerdichtung kollabiert, um einen Durchgang eines Teils des bereits gefilterten Leckgas von der sauberen Seite des Filtermediums durch den Spalt zu der schmutzigen Seite des Filtermediums bereitzustellen, sodass die Dichtung aufgebrochen wird.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 13, wobei die Elastomerdichtung V-förmig ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 13, wobei die Elastomerdichtung U-förmig ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 13, wobei die Elastomerdichtung eine Lippendichtung ist.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 13, wobei die Elastomerdichtung eine metallische Versteifungskomponente beinhaltet.
Kurbelgehäuseentlüftungssystem nach Anspruch 19, wobei die metallische Versteifungskomponente eine Feder beinhaltet, die eine Abdichtkraft der Elastomerdichtung erhöht.