СЕПАРАТОР ВОДЫ/ВОЗДУХА Российский патент 2015 года по МПК B01D45/02 F01N3/37 F02M35/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к сепараторам воды/воздуха, в частности к сепараторам воды/воздуха, применяемым в двигателях внутреннего сгорания.

Уровень техники

Как известно из уровня техники, в современных системах контроля выделения паров топлива двигателей внутреннего сгорания устанавливают угольные фильтры, которые всасывают и накапливают пары топлива, предотвращая их попадание в атмосферу. Угольный фильтр имеет два основных режима работы - режим загрузки и режим продувки. Во время продувки свежий воздух попадает в угольный фильтр и очищает находящиеся в нем пары топлива. В целях предотвращения попадания загрязняющих примесей в угольный фильтр необходимо установить воздушный фильтр на входе воздухозаборного отверстия. Для определения утечки паров топлива устанавливают устройство обнаружения утечки вакуума диафрагменного типа в системе контроля выделения паров топлива между воздушным и угольным фильтрами. Чтобы защитить устройство обнаружения утечки вакуума от попадания пыли и воды, используют воздушный фильтр тонкой очистки. При использовании данного фильтра необходимо избегать попадания в него воды, которая может ухудшить рабочие характеристики и даже повредить фильтр.

Раскрытие изобретения

Раскрытие настоящего изобретения касается способа и устройства отделения воды/воздуха, содержащего по меньшей мере один протяженный канал, через который проходит смесь воды и воздуха, при этом капли воды накапливаются на стенках канала и накопленная вода вымывается самотеком.

В одном из вариантов осуществления изобретения фильтр паров топлива содержит крышку, закрывающую входную решетку отсека воздушного фильтра. Каналы в крышке отделяют воду от смеси воды и воздуха, поступающей в фильтр паров топлива, и направляют воздушную часть смеси в отсек воздушного фильтра, в то время как водная часть смеси накапливается на внутренних стенках каналов и затем вытекает самотеком.

В одном из вариантов осуществления изобретения сепаратор воды/воздуха содержит по меньшей мере один протяженный канал, через который проходит смесь воды и воздуха, при этом капли воды накапливаются на стенках канала и затем накопленная вода вытекает самотеком.

В одном из вариантов осуществления изобретения сепаратор содержит внутренний отсек, в который поступает воздушная часть смеси по меньшей мере из одного протяженного канала, и при этом внутренний отсек имеет выпускное устройство для вывода воздушной части смеси из сепаратора.

В одном из вариантов осуществления изобретения сепаратор содержит воздушный фильтр, в который поступает воздушная часть, поступающая в отсек, для фильтрации воздушной части, и при этом фильтрованная воздушная часть смеси выходит через выпускное отверстие.

В одном из вариантов осуществления изобретения наружная часть внутреннего отсека формирует часть внутренней стенки по меньшей мере одного канала.

В одном из вариантов осуществления изобретения узел фильтра содержит воздушный фильтр, отсек воздушного фильтра с расположенным внутри воздушным фильтром и крышку, закрывающую отсек воздушного фильтра. Крышка имеет ребра, расположенные вдоль внутренних боковых стенок крышки. Ребра, наружные боковые стенки отсека и внутренние боковые стенки крышки образуют ряд каналов с впускными отверстиями, в которые поступает смесь воздуха и воды. Стенки каналов накапливают капли водной части смеси, поступающей в каналы. Накопленная водная часть вытекает из узла фильтра самотеком. В отсек воздушного фильтра поступает воздушная часть смеси, которая затем выходит через выпускные отверстия каналов, данная выходящая воздушная часть, попадающая в отсек, проходит через воздушный фильтр и затем выходит из узла фильтра.

В одном из вариантов осуществления изобретения отсек содержит входную решетку, на которую поступает воздушная часть смеси из выпускных отверстий каналов, и при этом крышка имеет упругий замок, выступающий наружу, и решетка имеет элемент, удерживающий замок для того, чтобы крышка накрывала решетку.

В одном из вариантов осуществления изобретения крышка имеет отверстие для выхода водной части смеси самотеком.

В одном из вариантов осуществления изобретения ребра образуют каналы, форма которых обеспечивает закручивание потока смеси, поступающего в каналы.

В одном из вариантов осуществления изобретения ребра образуют каналы, форма которых обеспечивает закручивание потока смеси, поступающего в каналы, по спирали.

В одном из вариантов осуществления изобретения узел фильтра содержит воздушный фильтр, отсек воздушного фильтра с расположенным в нем воздушным фильтром и крышку, закрывающую отсек воздушного фильтра; крышка имеет ребра, расположенные вдоль внутренних боковых стенок крышки; ребра, наружные боковые стенки отсека и внутренние боковые стенки крышки образуют ряд каналов с впускными отверстиями, в которые поступает смесь воды и воздуха; на стенках каналов накапливаются капли водной части смеси, поступающей в каналы, при этом накопленная водная часть вытекает самотеком из узла фильтра и отсек воздушного фильтра имеет отверстия в наружных боковых стенках, в которые поступает воздушная часть смеси, которая выходит через выпускные отверстия каналов, данная воздушная часть поступает в отсек, проходит через воздушный фильтр и затем выходит из узла фильтра.

В одном из вариантов осуществления изобретения способ выделения воды и воздуха из смеси воды и воздуха включает: поступление смеси во впускное отверстие по меньшей мере одного протяженного канала, накопление капель воды на внутренних стенках по меньшей мере одного канала и выход воды по меньшей мере из одного канала самотеком.

В одном из вариантов осуществления изобретения центральная трубка имеет отверстия в наружных боковых стенках, в которые поступает воздушная часть смеси, выходящая через выпускные отверстия каналов, данная выходящая воздушная часть выходит из центральной трубки.

Один или более вариантов осуществления изобретения раскрываются в деталях с помощью чертежей и описания, представленных далее. Иные особенности, назначения и преимущества раскрытого изобретения будут выявлены из описания, чертежей и пунктов формулы изобретения.

Краткое описание чертежей

На Фиг.1 показан схематический чертеж системы подачи топлива в двигатель транспортного средства, содержащий узел фильтра согласно изобретению;

на Фиг.2А-2В показаны схемы узла фильтра и его крышки в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;

на Фиг.2А' показаны схемы узла фильтра в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

на Фиг.3А-3Г показаны схемы узла фильтра и его крышки в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

на Фиг.4А-4В показаны схемы узла фильтра и его крышки в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

на Фиг.5А-5Б показаны схемы узла фильтра и его крышки в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

на Фиг.6 показана схема узла фильтра и его крышки в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

на Фиг.7А-7Б показаны схемы узла фильтра и его крышки в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения;

на Фиг.8 показана схема узла фильтра и его крышки в соответствии с другим вариантом осуществления изобретения; и

на Фиг.9 показана схема сепаратора воды/воздуха согласно изобретению.

Одни и те же позиции на различных чертежах соответствуют одним и тем же деталям.

Осуществление изобретения

Как показано на Фиг.1, транспортное средство оборудовано системой 10 контроля выделения паров топлива. Система 10 контроля выделения паров топлива содержит топливный бак 12, верхняя часть внутреннего объема которого сообщается с одним или более контейнерами 16 для паров топлива и впускным коллектором 14 двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Топливный бак 12 обеспечивает подачу топлива в двигатель и, как правило, содержит паровой выпускной клапан 18, а также гравитационный клапан 20. Топливный бак 12 может также содержать вакуумный предохранительный клапан 22, составляющий одно целое с крышкой топливного бака, предотвращающий образование чрезмерного вакуумного пространства или давления в топливном баке 12. Топливный бак 12 также содержит датчик 24 давления для контроля давления или вакуумного пространства в топливном баке, а также для подачи соответствующего входного сигнала в электронный блок 34 управления двигателем (ЭБУ). Датчик 24 давления может быть установлен непосредственно в топливном баке 12 или установлен удаленно и соединен трубопроводом с топливным баком 12.

Контейнер 16 для паров топлива предназначен для задержки и последующего использования паров топлива, исходящих из топливного бака 12. Контейнер 16 для паров топлива соединен с окружающей средой через выпускной клапан контейнера или через устройство 26 обнаружения утечки вакуума. Узел 28 фильтра, который будет более подробно описан далее, в данном случае представляет собой фильтр паров топлива с сепаратором воды/воздуха, расположенный между выпускным клапаном контейнера или устройством 26 обнаружения утечки вакуума и окружающей средой, содержащей смесь воздуха и воды (т.е. смесью воды/воздуха), для фильтрации воздушной части смеси, поступающей в узел 28, и для удаления водяной части смеси. Выпускной клапан контейнера или устройство 26 обнаружения утечки вакуума могут содержать нормально открытый соленоидный клапан, управляемый ЭБУ 34 через электрическое соединение с выпускным клапаном контейнера или устройством 26 обнаружения утечки вакуума.

Клапан 30 управления парами расположен между впускным коллектором 14, топливным баком 12 и контейнером 16 для паров топлива. Клапан 30 управления парами может содержать нормально закрытый вакуумный соленоидный клапан, который также снабжается энергий от ЭБУ 34. Когда клапан 30 управления парами открывается, пары топлива выкачиваются из контейнера 16 для паров топлива за счет вакуума впускного коллектора 14, обеспечивая процесс горения в цилиндрах двигателя. Когда ЭБУ 34 обесточивает клапан 30 управления парами, пары топлива остаются в контейнере 16 для паров топлива. Система 10 также может содержать сервисное отверстие 32, расположенное между клапаном 30 управления парами, топливным баком 12 и контейнером топливных паров 16.

Кроме регулирования выпускного клапана контейнера, устройства 26 обнаружения утечки вакуума и клапана 30 управления парами, ЭБУ 34 также обеспечивает управление дроссельной заслонкой 36, образующей часть корпуса дроссельной заслонки (не показан), который, в свою очередь, регулирует поток воздуха, поступающий во впускной коллектор 14.

Как показано на Фиг.2А, 2Б и 2В, узел 28 фильтра (Фиг.2А) содержит: корпус 38 воздушного фильтра и крышку 39, расположенную наверху корпуса 38. Корпус имеет отсек 40 (Фиг.2Б) с расположенным внутри воздушным фильтром 42 (Фиг.2Б). На крышке корпуса 38 расположены вентиляционные отверстия 43 (Фиг.2А и 2Б), способствующие прохождению потока 41 воздуха в отсек 40 через воздушный фильтр 42 и выходу из корпуса 38 через выпускное отверстие 45.

Крышка 39, более четко показанная на Фиг.2В, закрывающая вентиляционные отверстия 43, имеет ряд ребер 46 вдоль внутренних периферийных стенок крышки. Когда крышка собрана вместе с корпусом 38 (в частности, когда крышка 39 накрывает верхнюю часть наружных боковых стенок 50 отсека 40 корпуса 38), ребра 46, наружные боковые стенки 50 отсека 40 и внутренние боковые стенки 52 крышки 39 образуют ряд воздушных каналов 56 (Фиг.2Б) с впускными отверстиями 58, в которые из окружающей среды поступает смесь воздуха и воды, при этом на стенках каналов 56 (т.е. внутренних боковых стенках 52 крышки 39 и наружных боковых стенках 50 отсека 40) накапливаются капли водной части смеси, поступающей в каналы 56. Накопленная водная часть удаляется из узла 28 фильтра самотеком (т.е. вода выходит самотеком обратно через впускные отверстия 58), в то время как в воздушный фильтр 42 в отсеке 40 поступает воздушная часть смеси, выходящая из выпускных отверстий каналов через вентиляционные отверстия 43 в верхней части корпуса 38. Как было указано выше, выходящая воздушная часть сначала поступает в воздушный фильтр в отсеке, затем проходит через воздушный фильтр 42 и покидает узел 28 фильтра.

Более конкретно, как правило, присутствуют от 6 до 8 каналов 56; в данном случае 8 каналов образованы 8 ребрами 46, как показано на Фиг.2В. Ребра 46 (и, следовательно, каналы 56) равномерно расположены по всей внутренней поверхности 52 крышки 39. В данном случае ребра 46 выполнены как одно целое с крышкой 39.

Ширина каждого канала 56 в данном случае равна 4-5 мм, а длина каждого канала 56 в данном случае равна 20-28 мм. Процесс разделения воды и воздуха основан на аэродинамическом принципе, который использует большую разницу между плотностью воздуха и плотностью воды. Далее представлены основные положения данного принципа:

- Использование разницы удельных весов для отделения воды от воздуха.

- Создание узкого канала для направления двухфазного потока.

- Использование эффекта центробежной силы - закручивающей, спиральной, конической и т.д., который будет описан далее.

- Уменьшение площади впуска воды/воздуха в целях ограничения попадающих в фильтр загрязняющих примесей.

Во время процесса продувки системы контроля выделения паров топлива двигателя поток 48 смеси воздуха/загрязняющих примесей поступает через круглое впускное отверстие 58 (ФИГ. 2Б). Когда смесь проходит через каналы 56, жидкость течет в продольном направлении к выпускным отверстиям каналов 56. Выходящий воздух в потоке смеси с легкостью изменяет направление на 180 градусов, как показано потоком 41 воздуха на Фиг.2Б, для прохождения через вентиляционные отверстия 43, и попадает в отсек 40; но при этом вода остается на внутренних стенках 52 (Фиг.2В) крышки 39. По мере того как все больше воды накапливается на внутренних стенках 52 (Фиг.2В) крышки 39, она стекает по внутренним стенкам крышки и каналам 56 и, в конечном итоге, выходит самотеком из впускного отверстия 58 каналов 56. Некоторое количество тонкодисперсных твердых частиц пыли может попасть в отсек 40, но элемент среды фильтра 42 с тонким ситом задерживает частицы пыли на своей поверхности. В результате очищенный воздух 49 выходит через выпускное отверстие 45 и поступает в контейнер 16 (Фиг.1). В целом система фильтрации включает два этапа: на первом этапе отфильтровывается жидкая вода, а на втором этапе - тонкодисперсная пыль. Так как узел 28 фильтра/крышки расположен в вертикальном положении с верхней частью, расположенной наверху, вода и пыль в каналах 56 самоочищаются.

Вода, накапливающаяся на внутренней поверхности 52 крышки 39, растекается по внутренним стенкам направляющих потока (т.е. ребер 46) и внутренним участкам камеры 44 в верхней части крышки 39. По мере накопления вода стекает по внутренним стенкам.

Нужно отметить, что штырь 61 (Фиг.2А и 2Б) выполнен в верхней части корпуса и отверстие 63 (Фи. 2В) выполнено в центре внутренней поверхности крышки 39 для удержания штыря 61. Внутренний диаметр крышки 39 обозначен D. Высота Н камеры 44 и диаметр D выбраны с учетом обеспечения процесса выхода воды; рекомендуемое соотношение высоты к диаметру (H/D) находится в диапазоне 1/10-1/7.

На Фиг.2А' показан вариант осуществления механизма крепления для крепления крышки 39 к корпусу 38. В данном варианте крышка 39 имеет квадратное отверстие 60 для удержания выступающего замка 62, расположенного наверху корпуса 38. Функции механизма крепления (т.е. отверстия 60 и замка 62): (1) сохранение определенного зазора между верхней внутренней поверхностью 52' (Фиг.2В) крышки 39 и входной решеткой отсека 40 фильтра (т.е. вентиляционными отверстиями 43 (Фиг.2А)); (2) фиксация положения и угловой ориентации крышки 39; и (3) крепление крышки 39 к корпусу 38. Круглое отверстие для воды/воздуха (т.е. впускное отверстие 58 (Фиг.2Б)) расположено на дне крышки. Внутренняя часть отсека 40 фильтра содержит элемент среды фильтра 42 и плоскую поверхность дна или основание 64 для обеспечения границы раздела. Элемент среды фильтра 42 твердо вмонтирован в основание 64 фильтра.

На Фиг.3А-3Г показан вариант осуществления узла 28' фильтра, в котором отфильтрованный воздух должен выходить из узла в направлении вверх. В данном варианте крышка 39' имеет дренажное отверстие 70, обеспечивающее силу тяжести для выхода воды из узла 28' через отверстие 70. Таким образом, в этом варианте капли воды также накапливаются на внутренних стенках каналов, но здесь накапливающиеся капли выходят под действием силы тяжести через отверстие 70, а не через впускное отверстие каналов.

На Фиг.4А-4В показана структура 28”, способствующая закручиванию входящего потока внутри области расположения жидкости и включающая ребра 46” в форме лопастей турбинного колеса для обеспечения закрученного потока. Центробежная сила, воздействуя на капли воды, заставляет их двигаться по направлению к внутренним стенкам крышки 39”. Когда количество накопившейся воды, растекающейся по стенкам, достигает определенного уровня, она начинает вытекать из впускного отверстия 58 каналов 56.

На Фиг.5А и 5Б показан еще один вариант осуществления процесса закручивания потока. Вместо лопастей турбинного колеса, показанных на Фиг.4А-4В, в данном варианте представлены спиральные направляющие потока для осуществления закручивания. Спиральные направляющие потока могут насчитывать от 6 до 8 лопастей с поворотом на 1/2-1/2 оборота, как показано. В данном варианте осуществления изобретения размеры играют решающую роль: H1/G≥7 мм и G=3-7 мм рекомендуются для обеспечения определенной мощности закручивания потока.

В варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.6, смесь 68 воды/воздуха поступает из нижнего входного отверстия 69 крышки 39''' и поток проходит через каналы 56. Каналы 56 выполняют двойственную функцию: задание направляющих для потока и сбор капель воды, накапливающихся на их внутренних поверхностях. Как показано на Фиг.6, отсек 40' фильтра содержит боковые подводящие отверстия 70. Поток воздуха попадает в отсек 40' фильтра через 6-8 боковых подводящих отверстий 70 с диаметром в диапазоне 3,5-5 мм. Однако обратно вода отводится вдоль внутренних стенок каналов 56 и выходит через входное отверстие 69 крышки 39''' самотеком. Каналы 56 могут быть прямыми или спиралевидными, как описано выше. Нужно заметить, что в данном варианте осуществления изобретения возможно использование меньшей площади входного отверстия для предотвращения попадания загрязняющих примесей в систему. К входным отверстиям меньшего размера относятся и входное отверстие 69 крышки и отверстие 70 отсека фильтра.

Как показано на Фиг.7А и 7Б, смесь 71 воды/воздуха поступает от входного отверстия 72 крышки. Поток 71 воды/воздуха поступает на лопасти 46''' турбинного типа, выполненные в крышке 39'''', способствующие закручиванию потока вокруг оси отсека 40” фильтра в камере 80. Благодаря центробежной силе капли воды отбрасываются в удаленную от центра область камеры 80, выполненной в крышке 39'''' и растекаются по внутренним стенкам 81 крышки 39''''. Собранная на стенках 81 вода покидает крышку 39'''' через дренажные отверстия 82 в крышке 39''''. Однако поток воздуха с легкостью изменяет направление на 90 градусов и поступает в отсек 40” фильтра через входные отверстия 86 в удаленной от центра области отсека фильтра.

Если не использовать лопасти турбинного типа, система принимает более упрощенную конфигурацию, показанную на Фиг.8. Данная конфигурация может обеспечить достаточно эффективное разделение воды и воздуха, в случае если интенсивность продувки паров топлива низкая.

На Фиг.9 показан раздельный сепаратор воды/воздуха, который может быть использован для входного трубчатого фильтра топливных паров. Так же как и в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.8, поток 91 смеси воды/воздуха поступает в сепаратор в продольном направлении. Капли воды сначала попадают в камеру 80' и затем вытекают через дренажные отверстия 82. Очищенный воздух поступает в центральную трубку 87 через отверстия 86' и выходит через выпускное отверстие 88.

Выше был раскрыт ряд вариантов осуществления изобретения. Тем не менее, должно быть понятно, что данные варианты могут подвергаться модификациям в пределах объема сущности изобретения. Соответственно, варианты осуществления изобретения раскрываются в рамках следующей далее формулы изобретения.

Узел фильтра содержит воздушный фильтр, отсек воздушного фильтра с расположенным в нем воздушным фильтром и крышку, закрывающую отсек воздушного фильтра. Крышка имеет ребра, расположенные вдоль боковых стенок крышки. Ребра, наружные боковые стенки отсека и внутренние боковые стенки крышки образуют ряд каналов с впускными отверстиями, через которые поступает смесь воздуха и воды. На стенках каналов накапливаются капли водной части смеси, поступающей в каналы. Накопленная вода вытекает из узла фильтра самотеком. В отсек воздушного фильтра поступает воздушная часть смеси, выходящая через выпускные отверстия каналов. Воздушная часть, поступающая в отсек, на выходе из отсека проходит через воздушный фильтр и затем выходит из узла фильтра. Использование изобретения позволяет очищать воздух как от водяных примесей, так и от мелких частиц. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 19 ил.

1. Сепаратор воды/воздуха, содержащий:
внешний корпус с внутренним отсеком, в котором выполнено выпускное отверстие сепаратора,
проходящий снаружи вдоль корпуса по меньшей мере один протяженный канал, имеющий вход для впуска смеси воздуха и воды и пропускания этой смеси к выходу из канала, а также стенки, на которых накапливаются капли водной части смеси, которые вытекают самотеком,
воздушный фильтр, расположенный во внутреннем отсеке таким образом, чтобы принимать воздушную часть смеси из выхода канала для ее фильтрации, а фильтрованная воздушная часть смеси поступает на выпускное отверстие сепаратора;
причем наружная часть внутреннего отсека образует часть внутренней стенки указанного канала и имеет отверстия для впуска воздушной части смеси.

2. Сепаратор по п. 1, в котором накопленная водная часть смеси самотеком вытекает из канала через его входное отверстие.

3. Узел фильтра, содержащий:
воздушный фильтр;
отсек воздушного фильтра, в котором расположен воздушный фильтр;
крышку, закрывающую отсек воздушного фильтра и содержащую ребра, расположенные вдоль внутренних боковых стенок крышки, где указанные ребра, наружные боковые стенки отсека и внутренние боковые стенки крышки образуют совокупность каналов, на вход которых поступает смесь воды и воздуха, а на стенках накапливаются капли водной части смеси, причем накопленная водная часть вытекает из узла фильтра самотеком, а воздушная часть смеси, выходящая через выходы каналов, поступает в отсек воздушного фильтра и проходит через воздушный фильтр, после выхода из которого выходит из узла фильтра.

4. Узел фильтра по п. 3, в котором отсек имеет входную решетку, на которую поступает воздушная часть смеси, выходящая через выходы каналов, крышка имеет упругий замок, выступающий наружу, а решетка имеет элемент, выполненный с возможностью удерживать замок так, чтобы крышка защелкивалась на решетке.

5. Узел фильтра по п. 4, в котором крышка имеет отверстие для выхода водной части смеси, удаляемой самотеком.

6. Узел фильтра по п. 4, в котором ребра образуют каналы, форма которых обеспечивает закручивание потока поступающей в них смеси.

7. Узел фильтра по п. 4, в котором ребра образуют каналы, форма которых обеспечивает закручивание потока поступающей в них смеси по спирали.

8. Узел фильтра, содержащий:
воздушный фильтр;
отсек воздушного фильтра, в котором расположен воздушный фильтр;
крышку, закрывающую отсек воздушного фильтра и содержащую ребра, расположенные вдоль внутренних боковых стенок крышки, где указанные ребра, наружные боковые стенки отсека и внутренние боковые стенки крышки образуют совокупность каналов, на вход которых поступает смесь воды и воздуха, а на стенках накапливаются капли водной части смеси, причем накопленная водная часть вытекает из узла фильтра самотеком, а отсек воздушного фильтра имеет отверстия на наружных боковых стенках, через которые поступает воздушная часть смеси, выходящая через выходы каналов, которая затем проходит через воздушный фильтр и после выхода из воздушного фильтра выходит из узла фильтра.