用于从内燃机的发动机油中分离水和燃料的膜分离装置的制作方法

文档序号:5181408
专利名称:用于从内燃机的发动机油中分离水和燃料的膜分离装置的制作方法
技术领域
本发明涉及用于从在工作的发动机中循环的润滑油中分离水和汽油(或其他燃 料)的方法和装置。更具体地,本发明涉及使用机油在其中沿着膜的表面循环的装置的 方法,并且在其中水和例如汽油、柴油燃料或乙醇的燃料成分通过膜被选择性地从机油 中去除。总体来说,水和燃料成分在独立的流动空气流中从膜表面去除。
背景技术
大多数汽车由内燃机提供动力,内燃机包括数个互补的汽缸,其中紧密配合的 往复活塞接纳引入的燃料空气混合物、压缩该混合物、使混合物燃烧和排出燃烧产物。 燃料可以是汽油、柴油燃料、乙醇-燃料混合物、乙醇、生物燃料合成物或者可在空气 中燃烧的其他含碳合成物。对移动部件的润滑通过合适的含碳氢化合物的液体完成,该 液体从发动机下部的曲轴箱中被泵送上来并且分配到发动机的移动部件。当润滑油排回 到集油装置中时就完成了润滑油的循环。根据发动机的尺寸,机油的体积可以是若干夸 脱。在各汽缸内发生的燃烧过程终结时,汽缸将包含多种化学物质,包括水蒸汽、 未燃烧的燃料和颗粒物。这些物质中的大多数将在排气冲程期间从汽缸中排出,但是 一部分将通过活塞环被输送到曲轴箱并且与润滑油相接触。由此,随着发动机工作以及 机油的循环,机油中积累了颗粒物质,这些颗粒物质可通过使机油循环通过过滤器而去 除。但是机油中还积累水、未燃烧的燃料和其他液体或气体燃烧副产物,它们不能通过 传统的过滤技术去除。在正常的发动机工作温度下,这些燃烧副产物通常足以挥发掉,因为它们可通 过蒸发而从机油中排出。然而,当发动机经常仅仅工作相对较短的期间时,特别是在低 环境温度下如此工作时,机油温度不能增加到足以蒸发和驱除这些杂质,因而这些杂质 会逐渐累积。这些累积的水、燃料和燃烧副产物(主要是液体)稀释和污染了机油,从 而机油必须在其有用的性能被耗尽之前从发动机中排出。需要一种在车辆上从润滑油中 去除燃料和水的方法和设备或装置。

发明内容
本发明提供了使用合适的膜以便当润滑油在工作的发动机中循环时从润滑油中 去除水和燃料(及类似物)的实践。膜是薄膜状结构的材料,其横向尺寸显著大于其厚 度,并且其具有允许被选择的化学物质在浓度梯度或其他驱动力作用下通过其厚度传输 的组成和微结构。虽然本发明可在静止的内燃机上实施,然而其特别适用于由发动机提 供动力的车辆。在本发明的一个实施方式中,发动机润滑油的至少一部分循环流被迫沿着合适 的膜的表面流动。该膜具有与循环油相接触的第一膜表面以及用于回收从机油中分离和 去除的物质的相对膜表面。第一膜表面构造成使得不透过机油成分,但是该膜允许分布在机油中的水和燃料分子中的至少一种通过。膜表面的化学性质导致和允许水和/或燃 料分子从流动的机油中通过膜而扩散到相对表面。在本发明的优选实施方式中,气流在 膜的相对表面上流过以带走处于渗透流中的透过的水分子或燃料分子(或者两者)。分子 从第二膜表面的清除在膜的厚度上维持杂质物质的浓度梯度,从而促使水和燃料持续地 从流动的机油流中分离(剩下的机油流有时称为滞留液流)。
总体上,优选可通过第一膜(或膜区域)从机油中去除水并且通过第二膜区域 去除燃料或其他含碳污染物,从而回收的水和可能情况下的例如乙醇和燃料等溶质可分 开处理。例如,从机油中去除的水可抛弃到大气环境中;从机油中去除的燃料可存储起 来,例如在发动机中再利用。
在本发明的一些实施方式中,膜可以呈支撑在平板上的扁平薄膜的形式。在其 他一些实施方式中,用于该机油清理过程的膜可以呈中空纤维的形式,其中例如含水和 燃料的润滑油在纤维束的外周表面周围流过,并且空气流经纤维的内部空腔以去除窜漏 副产物的水或者燃料。在另外一些实施方式中,膜可以卷绕成螺旋或者其他合适构造。 各种形式的膜通常支撑在合适的金属或聚合物框架或壳体内,这些壳体的形状和构造形 成为用以接收循环的机油(包含水和燃料的液滴)进入壳体,从而将机油沿着被支撑膜 的上游侧引导,并且允许清理过的机油离开壳体并且再进入泵送到发动机表面上的机油 中。优选地,机油流是紊流,并且如果需要给予紊流,本发明构想到在机油流中引入合 适的扰流器或者流动改变装置。壳体还允许空气(或者其他清扫流体)沿着壳体的下游 (或渗透)侧流动以去除水和/或燃料成分。如下面在本说明书中更详细所述的,膜可以 构造并且支撑成用以在壳体内的分组的膜表面的独立区域中或者在位于同一或不同壳体 内的独立分组膜结构中去除水和含碳成分。
能够得到这样的膜材料其适于从工作的发动机的机油中分离水和乙醇等极性 成分和燃料等非极性成分。使用这样的膜组分其允许通过相对较小的水分子和乙醇分 子,但是不允许发动机油分子的扩散。这些膜组分还可以与适于通过碳氢化合物燃料成 分但是不通过发动机油的交替的膜组织一起使用。例如,可使用纤维素或者醋酸纤维素 中空纤维或者薄膜。它们对流经其表面的发动机油提供了合适的障碍,但是允许水从机 油流中分离并且通过膜材料运走。一些燃料成分也可以通过纤维素膜材料扩散,但是例 如沸石等“分子筛”是优选的。然而,不允许润滑油通过的膜材料可涂覆以一层亲水组 分或者亲油组分以选择性地或者持续地允许去除水和去除燃料或窜漏物质。在此说明书 中将进一步讨论膜材料和涂层。
如上所述,本发明的膜结构适用于在发动机工作时处理车辆的发动机油。膜结 构补充了发动机油过滤器的功能而用于去除颗粒物杂质,并且在本发明的一些实施方式 中,可与过滤器组合或者关联使用。膜结构的尺寸可构造成在任何时间仅处理循环机油 流的一部分。空气可从发动机机舱吸入而用于从膜组件中带走水和其他渗透物质。在本 发明的一些实施方式中,例如在短的发动机工作期间内,机油可能不是很热,但是可以 将膜的尺寸构造成或者以其他方式使膜适用于清理相对较冷的机油。
方案1、一种从工作的内燃机中去除水和燃料物质的方法,机油流在内燃机中 循环,用于润滑发动机部件,水和燃料物质在发动机工作过程中进入机油,所述方法包 括
将含水和含燃料的机油流的至少一部分转移到第一膜区域和第二膜区域,每个 膜区域定位成用于接收发动机润滑油流并且具有厚度以及和第一和第二相对表面,以及 使所述机油流部分流过每个膜区域的第一表面,机油流接合第一膜区域的第一表面,使 得一些水离开机油流并且从第一膜区域的第一表面穿行到第二表面,并且机油流接合第 二膜区域的第一表面,使得一些燃料物质离开机油流并且从第二膜区域的第一表面穿行 到第二表面;从第一膜区域的第二表面去除水;从第二膜区域的第二表面去除燃料物质;以及在发动机工作过程中使含水和含燃料的机油持续循环通过第一和第二膜区域。方案2、如方案1所述的方法,其中从第一膜区域去除的水和从第二膜区域去除 的燃料物质在发动机工作过程中被分开处理。方案3、如方案1所述的方法,其中空气流过第一膜区域的第二表面以从该区域 中去除水。方案4、如方案1所述的方法,其中空气流过第二膜区域的第二表面以从该区域 中去除燃料物质。方案5、如方案1所述的方法,其中第一和第二膜区域处于不同的膜上。方案6、如方案5所述的方法,其中机油从第一和第二膜中的一个顺序流到另一 个。方案7、如方案5所述的方法,其中机油同时流过第一和第二膜。方案8、如方案1所述的方法,其中回收的水被排放到大气中。方案9、如方案1所述的方法,其中回收的燃料物质在发动机或发动机排气系统 中被燃烧。方案10、如方案1所述的方法,其中燃料包括乙醇,并且乙醇与水一起被从第
一膜区域去除。方案11、一种发动机油流通装置,该装置设置在内燃机的发动机油润滑系统 中,所述装置包括容纳于壳体内的膜组件,所述壳体包括用于允许含水和含燃料物质的发动机润 滑油流进入的第一开口以及用于释放不含水和不含燃料物质的发动机润滑油流的第二开 Π ;所述膜组件包括第一膜区域和第二膜区域,每个膜区域具有厚度以及第一和第 二相对表面,其中一个膜区域的第一表面定位成并且适于接收发动机润滑油流,使得一 些水离开机油流并且从该膜区域的第一表面穿行到其第二表面,并且另一膜区域的第一 表面定位成并且适于接收机油流,使得一些燃料物质离开机油流并且从该另一膜区域的 第一表面穿行到第二表面;所述壳体还包括用于从该装置中去除水和燃料物质的至少一个出口。方案12、如方案11所述的装置,其中所述壳体还包括用于允许流动气体进入所 述壳体的至少一个入口。方案13、如方案11所述的装置,还包括用于将流动气体引导穿过至少一个膜区 域的第二相对表面的装置。
方案14、如方案11所述的装置,其中所述用于从该装置中去除水和燃料物质的 至少一个出口还用于去除流动气体。方案15、如方案11所述的装置,其中所述膜组件的膜区域包括对齐的大致平坦 的成对的膜,每个膜的第二相对表面都设置成背对背的并且支撑在插入的多孔基板的相 对侧上,并且它们的第一相对表面设置成用于在对齐的成对的膜之间接触机油流。方案16、如方案15所述的装置,包括用于从第二相对表面和插入的多孔基板上 去除渗流的装置。方案17、如方案11所述的装置,其中所述膜组件包括一个膜区域,所述膜区域 包括一束平行的管,所述管具有位于每个管的外侧上的第一相对表面,所述管的尺寸构 造为用于使清扫气体流过与第二相对表面接触的管,并且在与第一相对表面接触的管之 间设置有用于机油流的间隔。方案18、如方案11所述的装置,其中所述膜组件包括一个膜区域,所述膜区域 包括一束平行的管,所述管具有位于每个管的内侧上的第一相对表面,所述管的尺寸构 造为用于使机油流过管,并且在与第二相对表面接触的管之间设置有用于清扫气体流的 间隔。通过在本说明书后面对示例性实施方式的描述,本发明的其他目的和优点将变
得清楚。


图IA-E示出了将本发明应用于工作中的内燃机的概图,以及在本发明的部件设 置方面不同的本发明的实施方式的概图。图2A-B示出了适用于从发动机润滑油中去除水和燃料的交叉流动膜分离单元的 示例。图2A示出了其中将进入的发动机油循环并且流过管状中空膜周围以及清扫空气穿 过膜的实施方式。图2B示出了其中将进入的发动机油沿着管状中空膜穿过并且清扫空气 在膜周围通过的实施方式。在每个实施方式中,提供了独立分组的膜,每一组适于去除 燃料和水并且每一组参与到独立的清扫气流路径中。图3示出了螺旋状卷绕的交叉流动膜分离单元的膜构造的细节。图4示出了组装的螺旋状卷绕交叉流动膜分离单元的部分剖开的立体图。图5以立体图示出了使用板和框架结构的交叉流动膜分离单元的一部分的总体 结构。其中示出了机油混合物和清扫空气的流动路径。
具体实施例方式现代内燃机以严格的公差制造,这需要使用高级润滑油。为满足这种需要,当 前的发动机润滑油包括基础机油和合适添加剂的复杂混合物,从而使得即使在宽范围的 苛刻条件下经过相当长时间的使用之后也能具有所需的润滑性能。当前的润滑剂或润滑系统没有很好解决的一个非常见状况在车辆发动机经常仅 仅运行很短时间时发生。在此情况下,润滑油仅在很少情况下达到其“正常”工作温 度,并且随后仅运行很短时间。在燃烧过程中,会发生一些“窜漏”,其驱动一些未燃烧的燃料和湿气穿过活塞环而进入曲轴箱,在此处它们结合到润滑油中。当机油维持在其“正常”的80和 110°C之间的工作温度下时,这些易挥发的杂质会蒸发并通过曲轴箱通风系统去除。然 而,在持续的短发动机工作循环中,特别是在冬天驾驶过程中会遇到的低环境温度下, 这些杂质和稀释剂将积累,并且如果没有被去除将快速地劣化机油的润滑能力。水的积 累将非常显著,并且润滑油中5%或更大的水浓度会在上述条件下容易发生,这种浓度是 比0.2%或更小的期望浓度水平大很多的浓度。如果这种杂质不能被分离并且清除出机 油,则唯一的可选办法是以加快的频度更换机油。
使用半渗透性膜可完成对这些污染液体的清除,该半渗透性膜能够通过膜选择 性地输送混合物的成分。原子和分子可通过物理地穿过膜中的孔或者通过扩散穿过膜而 穿过膜。由于目的是大量地从机油中输送水和燃料以维持其在机油中的低浓度,因此能 够进行物理输送的膜是优选的。在分离特定的成分组合时不同膜的性能可通过合适地选 择膜的物理和化学性能而得到加强,并且可通过向膜上施加特定的涂层而进一步改进。 例如,在从机油中分离水时,亲水和疏油的涂层是优选的。
更具体地,涂层包含流动性的分组,但是高度的极性将与例如水和乙醇等极性 液体或与其他极性分组相关联。极性分组的彼此关联将用以通过例如机油、汽油或柴油 燃料等疏水分子而最小化渗透。这种分组的非限制性例子是多元醇(例如聚乙烯醇 链);具有碳水化物侧链的分组;聚丙烯酸或其衍生物;以及聚合物,该聚合物包含侧 链或具有例如间苯二酚等羟基单元的侧组或者具有铵单元的侧链。
乙醇或者与酒精混合燃料相关的其他酒精或者E85燃料的行为与水类似,且它 们将以与水相当的效率穿透膜从而产生水基含酒精渗透物质。
从机油中分离燃料(汽油或者柴油燃料)通过如下涂层而得到促进该涂层具 有尺寸选择性,使得较小的燃料分子可扩散过中孔材料,而较大的机油分子(以及乳化 剂、粘性添加剂和其他润滑油添加剂)不能通过。一个例子是沸石、硅铝酸盐,其具有 非常规则的分子维度的孔结构,其中孔的尺寸可通过阳离子置换进行“定制”。
分离将在于工作的发动机中循环的润滑油内发生。如图IA所示,发动机10包 含一定体积的机油12,机油12容纳于机油箱14内。在泵(未示出)的作用下,机油从 机油箱通过网孔过滤器/机油入口 16并且通过发动机油过滤器18被吸入。发动机油过滤 器18可以是适用于实施本发明的传统的旋转式机油过滤器或者是同样适用于实施本发明 的具有可选设计的机油过滤器。过滤器18的输出润滑油流20包括机油、水和燃料,但 是基本上消除了颗粒物,输出润滑油流20进入大致以“A”示出的燃料和水分离系统。 燃料/水分离系统“A”输出三股液流燃料流,其包括由燃料分离器去除的燃料或者 类似成分;水流,其包括由水分离器去除的水和类似成分,例如乙醇;以及输出机油流 22,其具有降低的水和燃料杂质水平。输出机油流22随后被输送到需要润滑的所有发动 机部件,例如轴承、汽缸等(未示出),并随后返回机油箱14。
由于目的是独立地去除机油中的两种成分燃料和水,优选使用独立且不同的 膜或膜涂层,对每一种膜或膜涂层进行优化以保留机油但是输送水或者燃料。然而,在 燃料和水之间的区别通过向共用的膜施加涂层而获得的情况下,对膜的指定区域进行选 择性涂层以使这些区域适于通过燃料或者水则是一个优选的方法。
这些膜可以单独封装并且如图IB所示并联设置或者如图IC所示串联设置,在图IC中,示出水分离器在燃料分离器之前,然而这不构成限制或限定。可选地,两者均 可封装在单一容器中,并且设置成如图ID所示用于并行流动,或者如图IE所示串行流 动。燃料和水分离器包括选择性膜或者涂层,其在一侧由循环的污染机油接触,优 选地呈交叉流动构造。交叉流动构造是优选的,因为其已经被证明可减少通过污染物沉 积产生的污垢或者膜的堵塞。化学物质穿过膜的通行是通过压力梯度驱动的,而选择的 污染物-水或者燃料将通过膜迁移到另一侧膜表面。压力梯度具有两种来源。首先, 横穿膜存在的浓度梯度将产生渗透压力。第二,由于在膜的一侧上处于其工作压力下的 机油和在膜另一侧上处于大气压力下的清扫气体而横穿膜产生压力梯度。在第二膜表面 上,浓度梯度通过气流-即“清扫气体”在膜表面上穿过而持续地清除被输送的物质从 而维持浓度梯度。清扫气体最初将包含迁移物质的低于平衡浓度的浓度,从而其可以有 效地从膜表面上接收和输送迁移物质。由于内燃机和当前使用的燃料的宽范围,待处理的润滑油流可包含汽油、柴油 燃料或者乙醇以及水。如所指出的,这些燃料成分可基于它们的极性或非极性性质区别 开来。非极性成分-汽油和柴油燃料包括脂肪族和芳香族碳氢化合物的混合物。汽油一 般包括烷烃,其碳原子的数量在5-12的范围内,而柴油燃料包括链式和芳香族化合物, 其包含10-20个碳原子。当然,根据发动机的类型,在任何机油容积内可能仅具有柴油 燃料或者汽油。由此,在压燃式或柴油机润滑系统中对机油污染物的分离将涉及从机油中分离 柴油燃料和水。在火花点火式发动机中,需要从机油中分离水和相关乙醇(如果存在) 以及汽油。由于来源于燃烧结束时在燃烧室中存在的气体,多种污染物将以接近于它们 在燃烧室中发生的浓度那样存在。由于所有发动机都寻求燃料效率最大化,在正常工作 温度下在发动机的燃烧室中存在的水的浓度一般将大于未燃烧的燃料的浓度。然而,燃 料浓度在冷发动机启动过程中由于使用了浓燃料_空气混合物而增加。在具有多次冷发 动机启动事件的短程驾驶模式下,在冬季驾驶季节的末尾,在机油中会积累相当的燃料 和水。在图2A中以100示出了对应于图ID示出的布置的用于从机油中同时分离水和 燃料的合适的交叉流膜分离设备。该设备包括两组入流通道,一个用于机油,而另一个 用于清扫气体(例如空气)。还提供了三个出口,一个用于出流机油流,一个用于含燃料 的清扫气体,而另一个用于含水的清扫气体。这些液流不直接相互作用,并且每个液流 遵循其自身预定的流动路径而不彼此混合。唯一的相互作用是从入流机油流至清扫气体 流的渗流的输送,入流机油流和清扫气体流之间介入了分开两股流动的半渗透膜。在由机油泵施加的压力作用下入流机油流20通过入流管11进入并且通过由端板 17堵塞住的有孔的分配管19,由此迫使机油流分成一系列油流15。期望机油流分成独立 的油流将有利地产生紊流并且加强在机油中的质量输送。可选地,可引入紊流产生特征 (未示出),其将与油流15互相作用从而增加流动的紊流性。油流15绕着一系列中空管 状膜60和65循环,并且由壳体40引导而通过端壁50上的开口 13以再形成滞留流22并 且通过出流管13离开。同时,清扫气体流23通过入口 21进入岐管26,在此处其被引导 而通过固定在端壁50中并且朝岐管26开放的管状膜60和65的中空芯。管状膜60适于输送燃料,而管状膜65适于输送水。清扫气体将向下沿着纤维60和65的长度运载任何 渗流、水或燃料。纤维60的另一端固定在端壁52中但是朝岐管28开放。各燃料渗透 承载清扫气体流27在离开管状膜60时进入岐管28,在此处它们再形成为燃料流29,燃 料流29通过出口 31离开该设备。以类似的方式,管状膜65的另一端也同样固定在端壁 52中,但是朝岐管36开放。各水渗流承载清扫气体流37离开管状膜65并且在岐管36 内再形成为水流41。水流41随后通过出口 39离开该设备。可以理解,图2A所示的构造可以适度的改进而被“颠倒”,从而机油流沿着管 状膜60和65的内部被引导,而物理分开的清扫气体流被分配成通过膜的外部。然而, 可以理解,具有小内部尺寸(例如直径小于1毫米)的管状膜将难以引起紊流。该构造在图2B中示出,其中在图2A和2B中类似的附图标记用于类似的部件以 便于比较。在入口 21处进入的入流清扫气体流23由分割件71分成两股气流。分开的 气流被引导进有孔管19。由于阻塞件17,有孔管19内的气流被引导而穿过管状膜60和 65,管状膜60和65被优化而分别用于输送燃料和水。在通过管状膜之后,包含渗透物 的液流27和37通过外壳40而分别被引导到岐管28和36。最终合并的液流27作为含燃 料渗透物的液流29离开,而合并的液流37作为含水渗透物的液流41离开,而滞留机油 作为液流22离开。还可以采用可选的构造。图3示出了螺旋卷绕的膜分离器310的结构。该构造 包括有孔的渗流收集管219,在其周围以螺旋方式包覆了一系列层,所述层包括由膜分离 器272分开的两个膜270。两个膜270和膜分离器272构成了过滤器的基本单元,而它 们又由进给隔件280分开。分离器272和280以合适方式构造为产生流体通道,该流动 通道至少不阻碍液流,并且更期望地,将促进流动。数个这种层组可以在收集管219上 的不同径向位置处终结,从而每个组的膜分离器与收集管219的至少一个孔对准。在图 4中示出了卷绕过滤器的局部剖开的立体图,并且图中示出了收集管219的孔201。在操作中,再次参考图3,机油入流以210表示,并且在由流体隔件280产生的 相邻膜270之间的间隙内平行于渗流收集管219流动。入流机油流210的一些部分210’ 经过膜270,在此处其通过毛细作用被带走或者通过毛细作用朝向收集管219被输送而成 为液流290。在抵达收集管219时,渗流290通过孔201进入收集管219的内部,在此处 其将受到真空或者清扫气流222的作用并且被带走。图4示出了入流机油和清扫气体的 逆流流动,但是也可以接受顺流流动。在图5中示出了使用另一膜构造的设备的一部分。应当理解,示出的部分可以 根据需要被复制多次,并且这些部分以端对端方式连接而构成完整的设备。该设备使用 了大致平面的膜,并因此更适用于具有有限弹性的膜,这种膜不能形成为管或者弯曲成 螺旋构造。此外,大致平面的膜可容易地支撑在合适的基板上,从而使得膜适应于较高 的机油压力进而促成更快的分离。入流机油流310被约束到大致方形的通道内,该通道 由上壁表面407和下壁表面401以及侧壁构成,其中为清楚起见省略了侧壁。并且,该 板和框架膜分离器构造沿着一个盘旋的路径引导机油流30,该路径将流体在成对的膜结 构395之间持续地引导,而膜结构395从流体中吸取渗透物并且产生去除了渗透物的出流 机油流313。该几何构造产生的重复的流动反转在产生期望的紊流方面非常有效,因此可 用于促进机油中的质量输送。每个膜结构395包括一对由膜分隔器372 (为清楚起见,仅在一个膜结构395中示出了局部剖切图)分开的膜370,该膜如同在螺旋卷绕过滤器300 中那样用于通过毛细作用将渗流输送到岐管410和430。膜结构395在一端由板397密封 并且在其边缘上由侧壁(未示出)密封。膜结构395以及更具体是分隔器372朝岐管410 和430开放,岐管410和430由双板401和402以及406和407并配合以侧封闭段403和 404以及405和408形成。机油流310的一些渗透部分310,被输送过任何膜370并且通 过毛细作用被输送或携带到岐管410或430,如图中箭头390所示。岐管410和430引导 清扫气流420和320穿过渗流输送膜分隔器372,导致渗流蒸发并且结合在清扫气体中, 清扫气体作为含渗流流体322和422离开。为了清楚起见示出了两个单独的岐管410和 430,但是仅通过适度调整图示设置就能够使用单一岐管。具体地说,如果膜结构395从 表面407延伸到表面402并且通过具有不对称定位的流体通过通道而接收机油流,则可以 使用单一岐管。此外,可以理解,尽管已经在图5中用共用附图标记(370)指代膜,暗示每个膜 结构395具有相同的膜化学性质,然而可以将特定的膜化学性质分配给特定的膜结构。 如果交替的膜结构被选择性地用于输送燃料和水,这将是特别有用的。以此构造,一种 渗流将以流体322离开设备,而另一种渗流将以流体422离开,同样能够在单一设备中同 时分离水和燃料。图5示出了具有大致方形截面的板和框架构造。其他截面也是可行的。特别关 注的是圆形截面,因为这种截面的膜分离器将是圆柱形设备,其入口可配合到当前机油 过滤器的输出端。与在发动机油循环路径内的其他位置结合膜分离器相比,这种组合单 元将导致更少的外部连接。当然,这种途经对于此构造不是唯一的,在图2-5中示出的 所有设计都可适于结合到传统的机油过滤器上。使用膜分离器来分离机油和水可通过考虑下面阐释性的非限制性示例而说明。 在所有情况下,使用碳范围在40-100的5W-30润滑油和水来制备体积250mL的测试混 合物。水的标定浓度在约至约4.5% (重量百分比)的范围内,而大多数测试使用重 量百分比为2%的标定水含量进行,并且混合物受到持续搅动以保持水作为乳液。典型的 机油流量为每分钟1.0至2.3克范围内,并且测试在大约25°C至80°C的温度范围内进行, 而需要特别注意在标定温度为65°C时获得的结果。所有测试使用流量为IOOcm3Anin的 清扫空气进行。使用厘米/秒作为量纲的整体质量输送系数Kf被用作衡量系统性能的数 字。示例图2示出的设计中的交叉流测试模块使用从德国的Membrana/Celgard获得的再 生纤维素纤维制造。该纤维具有200微米的内径,壁厚为8微米,有效孔径为4-6纳米, 并且玻璃转化温度大于150°C。测试模块包括16cm长的300个纤维形成的纤维束,且测 试混合物在通过的清扫气体下以大约1.5克/分的流量持续循环通过纤维。在大约65°C 下,在初始水含量为2.1% (重量百分比)下,观察到大约7.0X 10_5厘米每秒的整体质量 输送系数。此外,增加机油流量显示能够有进一步的性能改进,并且在大约25克/分的 机油流量下,观察到大约7.0X 10_5厘米每秒的整体质量输送系数。上述结果仅仅使用小体积的机油和有限数量的纤维获得。然而,通过膜表面面 积的知识,该结果可放大到更典型的发动机工作环境条件下。这种放大表明,以大约4800cm2在前述示例中使用的膜制造的交叉流动分离器能够在小于一小时内在5夸脱发动 机油中清除大多数水。该要求可通过在图2-5中示出的多种设计变例来满足,但仅仅作 为示例,一个选择是使用大致遵循图2的设计的交叉流动过滤器,但是其中包含大约25 厘米长的大约3000个纤维。这些可容易地封装在4厘米直径的容器内。
在清扫气体流中也将需要类似的放大。一般需要大约2L/分钟的干气流。这 可以通过使用干燥剂或者通过使用再生干燥剂干燥器获得。然而,两者都增加了车辆质 量,而简单的基于干燥剂的方法需要定期更换干燥剂盒。再生干燥剂干燥器克服了此问 题,但是需要压缩空气源,并由此要求增加压缩机,这相应地额外增加了封装的复杂性 并增加了质量。由此,优选地,可以使用具有一些初始水蒸汽含量的环境空气。因此, 优选通过大约5L/分钟的环境空气。该数字可通过如下方式减小一些从车辆发动机舱 内吸取空气,该空气将处于略微高一些的温度下并由此具有较低的相对湿度;或者从车 辆的HVAC系统吸取空气,优选在空气离开空调换热器之后立即吸取。如果使用发动机 舱空气,则可以在强迫气流下操作系统,此时车辆正在行驶,特别是以高速公路的速度 行驶,但是为了保持在所有工作模式下(包括停车时的怠速)的工作一致性,清扫空气的 风扇循环是优选的。这可以通过转换一小部分散热器冷却空气完成,但是由于散热器冷 却风扇通常在需要时才运行,风扇在发动机预热过程中不运行,而此时恰好需要气流。 因此,优选使用一个专用于膜分离器的独立风扇。可选地,燃料滞留清扫气体可通过发 动机真空“提供动力”并且输送到进气岐管内以将滞留物分配给发动机燃料供给源。
从机油中分离水因小的水分子和大的机油分子之间的尺寸差异而得到便利,并 且进一步因它们的化学性质的不同(水具有极性、机油不具有极性)得到进一步促进。这 种极性的差别使得能够使用由水湿润但是不能由机油湿润的膜或涂层,并由此允许水能 够容易地通过膜孔但是限制机油通过膜孔。
然而,无论柴油燃料还是汽油燃料均是非极性的,因此在不同分子之间进行区 别以控制它们的渗透率的主要措施是通过分子尺寸。有机分子的尺寸经常通过参考其碳 数量(构成分子的碳原子的数量)而给出。构象效应使得碳数量仅仅是分子尺寸的指示 器,因为其没有清楚地指示分子的脂肪族或者芳香族性质。然而,机油和燃料包含化学 性质相似的分子,因此碳数量将指示从这些分子中进行彼此分离的可行性。
在上面提供的示例中,使用代表当前汽车润滑油的5W-30机油,给定的机油的 碳原子数量在40-100范围内。在火花点火式发动机中使用的汽油的碳数量在5-12范围 内,在压燃式发动机中使用的柴油燃料的碳数量在10-20范围内。由于尺寸范围不重 叠,膜分离是可行的。然而,该问题可得到进一步简化,因为碳数量小于大约16的化合 物对于机油的润滑性能损害最大。由此,即使分离不彻底,只要其显著减少了最小碳数 量的比例,其也将能用来延长润滑油的使用寿命。
合适的膜是多孔的介质,其可以是有机(聚合物)合成物或陶瓷,例如沸石或者 微孔木炭。例如,基于沸石的分子筛通常用于基于分子的尺寸来分离分子。这些晶体的 特征在于一个三维孔系统,其中孔具有精确限定的直径。该直径控制着可迁移过膜的特 定分子的尺寸,并且可被调节为精确确定的均勻开口,该开口能够允许小于孔直径的分 子被吸收而拒绝较大的分子。由于不同的孔尺寸可在合成沸石中容易地形成,因此沸石 可容易地定制为在具有不同尺寸或形状的分子之间提供良好的区分。
对于需要更顺从的膜的应用,期望膜不会因机械负载而易于断裂,这些矿物质 的或者碳基的分子筛可结合到聚合物薄膜中以形成复合膜。这种膜允许形成形状更复杂 的膜,但是将减少有效膜表面积,因为总表面面积的有效区域将与聚合物的分数成比例 地减少。在图1中示出的整体通路的输出是两个含蒸汽的渗流——富含水或者富含燃料。 水流可简单地蒸发到空气中,但燃料流应当在发动机中再循环利用。前面已经描述了涉 及将清扫气体引导到发动机进气岐管以提供额外燃料源的方法。然而,另一可选方式是 将清扫空气引导到排气岐管中,在此处其可用作NOx排放物的还原剂。这在废气中通常 含有很少还原剂的稀燃发动机中具有特殊价值。然后关于上面的描述,可以认识到,用于本发明的部件的优化尺寸关系,包括 尺寸、材料、形状、形式、功能和工作方式、组装和使用的变例,对于本领域普通技术 人员来说应当被认为是清楚和明显的,并且与附图中示出并且在说明书中描述的等同关 系应当由本发明所覆盖。因此,上面的描述应当被认为仅仅是对本发明的原理的阐释。此外,由于本领 域普通技术人员容易想到多种改行和变化,这里不将本发明限制于所示和所描述的精确 构造和操作,因此,所有合适的改型和等同体也将落入本发明的范围内。
权利要求
1.一种从工作的内燃机中去除水和燃料物质的方法,机油流在内燃机中循环,用于 润滑发动机部件,水和燃料物质在发动机工作过程中进入机油,所述方法包括将含水和含燃料的机油流的至少一部分转移到第一膜区域和第二膜区域,每个膜区 域定位成用于接收发动机润滑油流并且具有厚度以及和第一和第二相对表面,以及使所 述机油流部分流过每个膜区域的第一表面,机油流接合第一膜区域的第一表面,使得一 些水离开机油流并且从第一膜区域的第一表面穿行到第二表面,并且机油流接合第二膜 区域的第一表面,使得一些燃料物质离开机油流并且从第二膜区域的第一表面穿行到第 二表面;从第一膜区域的第二表面去除水; 从第二膜区域的第二表面去除燃料物质;以及在发动机工作过程中使含水和含燃料的机油持续循环通过第一和第二膜区域。
2.如权利要求1所述的方法,其中从第一膜区域去除的水和从第二膜区域去除的燃料 物质在发动机工作过程中被分开处理。
3.如权利要求1所述的方法,其中空气流过第一膜区域的第二表面以从该区域中去除水。
4.如权利要求1所述的方法,其中空气流过第二膜区域的第二表面以从该区域中去除 燃料物质。
5.如权利要求1所述的方法,其中第一和第二膜区域处于不同的膜上。
6.如权利要求5所述的方法,其中机油从第一和第二膜中的一个顺序流到另一个。
7.如权利要求5所述的方法,其中机油同时流过第一和第二膜。
8.如权利要求1所述的方法,其中回收的水被排放到大气中。
9.如权利要求1所述的方法,其中回收的燃料物质在发动机或发动机排气系统中被燃烧。
10.—种发动机油流通装置,该装置设置在内燃机的发动机油润滑系统中,所述装置 包括容纳于壳体内的膜组件,所述壳体包括用于允许含水和含燃料物质的发动机润滑油 流进入的第一开口以及用于释放不含水和不含燃料物质的发动机润滑油流的第二开口;所述膜组件包括第一膜区域和第二膜区域,每个膜区域具有厚度以及第一和第二相 对表面,其中一个膜区域的第一表面定位成并且适于接收发动机润滑油流,使得一些水 离开机油流并且从该膜区域的第一表面穿行到其第二表面,并且另一膜区域的第一表面 定位成并且适于接收机油流,使得一些燃料物质离开机油流并且从该另一膜区域的第一 表面穿行到第二表面;所述壳体还包括用于从该装置中去除水和燃料物质的至少一个出口。
全文摘要
本发明涉及用于在内燃机中从发动机油分离水和燃料的膜分离装置。更具体地,水和燃料污染物质可从工作的发动机的机油流中去除。合适的膜材料被支撑在合适的壳体内。至少一部分污染的机油流流经膜的一侧,并且水和燃料物质通过膜扩散到其另一侧,在此处它们被收集并且从壳体中去除。水和燃料物质可使用不同的膜或者膜的不同区域独立回收。它们可使用空气流从膜和壳体上清除以便在壳体外处理。
文档编号F01M11/03GK102022158SQ20101028604
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月16日 优先权日2009年9月16日
发明者A·M·曼斯, G·莫杜科维奇 申请人:通用汽车环球科技运作公司
再多了解一些
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