專利名稱：用于從內(nèi)燃機的發(fā)動機油中分離水和燃料的膜分離裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于從在工作的發(fā)動機中循環(huán)的潤滑油中分離水和汽油(或其他燃 料)的方法和裝置。更具體地，本發(fā)明涉及使用機油在其中沿著膜的表面循環(huán)的裝置的 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過膜被選擇性地從機油 中去除?？傮w來說，水和燃料成分在獨立的流動空氣流中從膜表面去除。
背景技術(shù)：
大多數(shù)汽車由內(nèi)燃機提供動力，內(nèi)燃機包括數(shù)個互補的汽缸，其中緊密配合的 往復(fù)活塞接納引入的燃料空氣混合物、壓縮該混合物、使混合物燃燒和排出燃燒產(chǎn)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氣 中燃燒的其他含碳合成物。對移動部件的潤滑通過合適的含碳氫化合物的液體完成，該 液體從發(fā)動機下部的曲軸箱中被泵送上來并且分配到發(fā)動機的移動部件。當(dāng)潤滑油排回 到集油裝置中時就完成了潤滑油的循環(huán)。根據(jù)發(fā)動機的尺寸，機油的體積可以是若干夸 脫。在各汽缸內(nèi)發(fā)生的燃燒過程終結(jié)時，汽缸將包含多種化學(xué)物質(zhì)，包括水蒸汽、 未燃燒的燃料和顆粒物。這些物質(zhì)中的大多數(shù)將在排氣沖程期間從汽缸中排出，但是 一部分將通過活塞環(huán)被輸送到曲軸箱并且與潤滑油相接觸。由此，隨著發(fā)動機工作以及 機油的循環(huán)，機油中積累了顆粒物質(zhì)，這些顆粒物質(zhì)可通過使機油循環(huán)通過過濾器而去 除。但是機油中還積累水、未燃燒的燃料和其他液體或氣體燃燒副產(chǎn)物，它們不能通過 傳統(tǒng)的過濾技術(shù)去除。在正常的發(fā)動機工作溫度下，這些燃燒副產(chǎn)物通常足以揮發(fā)掉，因為它們可通 過蒸發(fā)而從機油中排出。然而，當(dāng)發(fā)動機經(jīng)常僅僅工作相對較短的期間時，特別是在低 環(huán)境溫度下如此工作時，機油溫度不能增加到足以蒸發(fā)和驅(qū)除這些雜質(zhì)，因而這些雜質(zhì) 會逐漸累積。這些累積的水、燃料和燃燒副產(chǎn)物(主要是液體)稀釋和污染了機油，從 而機油必須在其有用的性能被耗盡之前從發(fā)動機中排出。需要一種在車輛上從潤滑油中 去除燃料和水的方法和設(shè)備或裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了使用合適的膜以便當(dāng)潤滑油在工作的發(fā)動機中循環(huán)時從潤滑油中 去除水和燃料(及類似物)的實踐。膜是薄膜狀結(jié)構(gòu)的材料，其橫向尺寸顯著大于其厚 度，并且其具有允許被選擇的化學(xué)物質(zhì)在濃度梯度或其他驅(qū)動力作用下通過其厚度傳輸 的組成和微結(jié)構(gòu)。雖然本發(fā)明可在靜止的內(nèi)燃機上實施，然而其特別適用于由發(fā)動機提 供動力的車輛。在本發(fā)明的一個實施方式中，發(fā)動機潤滑油的至少一部分循環(huán)流被迫沿著合適 的膜的表面流動。該膜具有與循環(huán)油相接觸的第一膜表面以及用于回收從機油中分離和 去除的物質(zhì)的相對膜表面。第一膜表面構(gòu)造成使得不透過機油成分，但是該膜允許分布在機油中的水和燃料分子中的至少一種通過。膜表面的化學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致和允許水和/或燃 料分子從流動的機油中通過膜而擴散到相對表面。在本發(fā)明的優(yōu)選實施方式中，氣流在 膜的相對表面上流過以帶走處于滲透流中的透過的水分子或燃料分子(或者兩者)。分子 從第二膜表面的清除在膜的厚度上維持雜質(zhì)物質(zhì)的濃度梯度，從而促使水和燃料持續(xù)地 從流動的機油流中分離(剩下的機油流有時稱為滯留液流)。
總體上，優(yōu)選可通過第一膜(或膜區(qū)域)從機油中去除水并且通過第二膜區(qū)域 去除燃料或其他含碳污染物，從而回收的水和可能情況下的例如乙醇和燃料等溶質(zhì)可分 開處理。例如，從機油中去除的水可拋棄到大氣環(huán)境中；從機油中去除的燃料可存儲起 來，例如在發(fā)動機中再利用。
在本發(fā)明的一些實施方式中，膜可以呈支撐在平板上的扁平薄膜的形式。在其 他一些實施方式中，用于該機油清理過程的膜可以呈中空纖維的形式，其中例如含水和 燃料的潤滑油在纖維束的外周表面周圍流過，并且空氣流經(jīng)纖維的內(nèi)部空腔以去除竄漏 副產(chǎn)物的水或者燃料。在另外一些實施方式中，膜可以卷繞成螺旋或者其他合適構(gòu)造。 各種形式的膜通常支撐在合適的金屬或聚合物框架或殼體內(nèi)，這些殼體的形狀和構(gòu)造形 成為用以接收循環(huán)的機油(包含水和燃料的液滴)進入殼體，從而將機油沿著被支撐膜 的上游側(cè)引導(dǎo)，并且允許清理過的機油離開殼體并且再進入泵送到發(fā)動機表面上的機油 中。優(yōu)選地，機油流是紊流，并且如果需要給予紊流，本發(fā)明構(gòu)想到在機油流中引入合 適的擾流器或者流動改變裝置。殼體還允許空氣(或者其他清掃流體)沿著殼體的下游 (或滲透)側(cè)流動以去除水和/或燃料成分。如下面在本說明書中更詳細所述的，膜可以 構(gòu)造并且支撐成用以在殼體內(nèi)的分組的膜表面的獨立區(qū)域中或者在位于同一或不同殼體 內(nèi)的獨立分組膜結(jié)構(gòu)中去除水和含碳成分。
能夠得到這樣的膜材料其適于從工作的發(fā)動機的機油中分離水和乙醇等極性 成分和燃料等非極性成分。使用這樣的膜組分其允許通過相對較小的水分子和乙醇分 子，但是不允許發(fā)動機油分子的擴散。這些膜組分還可以與適于通過碳氫化合物燃料成 分但是不通過發(fā)動機油的交替的膜組織一起使用。例如，可使用纖維素或者醋酸纖維素 中空纖維或者薄膜。它們對流經(jīng)其表面的發(fā)動機油提供了合適的障礙，但是允許水從機 油流中分離并且通過膜材料運走。一些燃料成分也可以通過纖維素膜材料擴散，但是例 如沸石等“分子篩”是優(yōu)選的。然而，不允許潤滑油通過的膜材料可涂覆以一層親水組 分或者親油組分以選擇性地或者持續(xù)地允許去除水和去除燃料或竄漏物質(zhì)。在此說明書 中將進一步討論膜材料和涂層。
如上所述，本發(fā)明的膜結(jié)構(gòu)適用于在發(fā)動機工作時處理車輛的發(fā)動機油。膜結(jié) 構(gòu)補充了發(fā)動機油過濾器的功能而用于去除顆粒物雜質(zhì)，并且在本發(fā)明的一些實施方式 中，可與過濾器組合或者關(guān)聯(lián)使用。膜結(jié)構(gòu)的尺寸可構(gòu)造成在任何時間僅處理循環(huán)機油 流的一部分?？諝饪蓮陌l(fā)動機機艙吸入而用于從膜組件中帶走水和其他滲透物質(zhì)。在本 發(fā)明的一些實施方式中，例如在短的發(fā)動機工作期間內(nèi)，機油可能不是很熱，但是可以 將膜的尺寸構(gòu)造成或者以其他方式使膜適用于清理相對較冷的機油。
方案1、一種從工作的內(nèi)燃機中去除水和燃料物質(zhì)的方法，機油流在內(nèi)燃機中 循環(huán)，用于潤滑發(fā)動機部件，水和燃料物質(zhì)在發(fā)動機工作過程中進入機油，所述方法包 括
將含水和含燃料的機油流的至少一部分轉(zhuǎn)移到第一膜區(qū)域和第二膜區(qū)域，每個 膜區(qū)域定位成用于接收發(fā)動機潤滑油流并且具有厚度以及和第一和第二相對表面，以及 使所述機油流部分流過每個膜區(qū)域的第一表面，機油流接合第一膜區(qū)域的第一表面，使 得一些水離開機油流并且從第一膜區(qū)域的第一表面穿行到第二表面，并且機油流接合第 二膜區(qū)域的第一表面，使得一些燃料物質(zhì)離開機油流并且從第二膜區(qū)域的第一表面穿行 到第二表面；從第一膜區(qū)域的第二表面去除水；從第二膜區(qū)域的第二表面去除燃料物質(zhì)；以及在發(fā)動機工作過程中使含水和含燃料的機油持續(xù)循環(huán)通過第一和第二膜區(qū)域。方案2、如方案1所述的方法，其中從第一膜區(qū)域去除的水和從第二膜區(qū)域去除 的燃料物質(zhì)在發(fā)動機工作過程中被分開處理。方案3、如方案1所述的方法，其中空氣流過第一膜區(qū)域的第二表面以從該區(qū)域 中去除水。方案4、如方案1所述的方法，其中空氣流過第二膜區(qū)域的第二表面以從該區(qū)域 中去除燃料物質(zhì)。方案5、如方案1所述的方法，其中第一和第二膜區(qū)域處于不同的膜上。方案6、如方案5所述的方法，其中機油從第一和第二膜中的一個順序流到另一 個。方案7、如方案5所述的方法，其中機油同時流過第一和第二膜。方案8、如方案1所述的方法，其中回收的水被排放到大氣中。方案9、如方案1所述的方法，其中回收的燃料物質(zhì)在發(fā)動機或發(fā)動機排氣系統(tǒng) 中被燃燒。方案10、如方案1所述的方法，其中燃料包括乙醇，并且乙醇與水一起被從第
一膜區(qū)域去除。方案11、一種發(fā)動機油流通裝置，該裝置設(shè)置在內(nèi)燃機的發(fā)動機油潤滑系統(tǒng) 中，所述裝置包括容納于殼體內(nèi)的膜組件，所述殼體包括用于允許含水和含燃料物質(zhì)的發(fā)動機潤 滑油流進入的第一開口以及用于釋放不含水和不含燃料物質(zhì)的發(fā)動機潤滑油流的第二開 Π ；所述膜組件包括第一膜區(qū)域和第二膜區(qū)域，每個膜區(qū)域具有厚度以及第一和第 二相對表面，其中一個膜區(qū)域的第一表面定位成并且適于接收發(fā)動機潤滑油流，使得一 些水離開機油流并且從該膜區(qū)域的第一表面穿行到其第二表面，并且另一膜區(qū)域的第一 表面定位成并且適于接收機油流，使得一些燃料物質(zhì)離開機油流并且從該另一膜區(qū)域的 第一表面穿行到第二表面；所述殼體還包括用于從該裝置中去除水和燃料物質(zhì)的至少一個出口。方案12、如方案11所述的裝置，其中所述殼體還包括用于允許流動氣體進入所 述殼體的至少一個入口。方案13、如方案11所述的裝置，還包括用于將流動氣體引導(dǎo)穿過至少一個膜區(qū) 域的第二相對表面的裝置。
方案14、如方案11所述的裝置，其中所述用于從該裝置中去除水和燃料物質(zhì)的 至少一個出口還用于去除流動氣體。方案15、如方案11所述的裝置，其中所述膜組件的膜區(qū)域包括對齊的大致平坦 的成對的膜，每個膜的第二相對表面都設(shè)置成背對背的并且支撐在插入的多孔基板的相 對側(cè)上，并且它們的第一相對表面設(shè)置成用于在對齊的成對的膜之間接觸機油流。方案16、如方案15所述的裝置，包括用于從第二相對表面和插入的多孔基板上 去除滲流的裝置。方案17、如方案11所述的裝置，其中所述膜組件包括一個膜區(qū)域，所述膜區(qū)域 包括一束平行的管，所述管具有位于每個管的外側(cè)上的第一相對表面，所述管的尺寸構(gòu) 造為用于使清掃氣體流過與第二相對表面接觸的管，并且在與第一相對表面接觸的管之 間設(shè)置有用于機油流的間隔。方案18、如方案11所述的裝置，其中所述膜組件包括一個膜區(qū)域，所述膜區(qū)域 包括一束平行的管，所述管具有位于每個管的內(nèi)側(cè)上的第一相對表面，所述管的尺寸構(gòu) 造為用于使機油流過管，并且在與第二相對表面接觸的管之間設(shè)置有用于清掃氣體流的 間隔。通過在本說明書后面對示例性實施方式的描述，本發(fā)明的其他目的和優(yōu)點將變
得清楚。


圖IA-E示出了將本發(fā)明應(yīng)用于工作中的內(nèi)燃機的概圖，以及在本發(fā)明的部件設(shè) 置方面不同的本發(fā)明的實施方式的概圖。圖2A-B示出了適用于從發(fā)動機潤滑油中去除水和燃料的交叉流動膜分離單元的 示例。圖2A示出了其中將進入的發(fā)動機油循環(huán)并且流過管狀中空膜周圍以及清掃空氣穿 過膜的實施方式。圖2B示出了其中將進入的發(fā)動機油沿著管狀中空膜穿過并且清掃空氣 在膜周圍通過的實施方式。在每個實施方式中，提供了獨立分組的膜，每一組適于去除 燃料和水并且每一組參與到獨立的清掃氣流路徑中。圖3示出了螺旋狀卷繞的交叉流動膜分離單元的膜構(gòu)造的細節(jié)。圖4示出了組裝的螺旋狀卷繞交叉流動膜分離單元的部分剖開的立體圖。圖5以立體圖示出了使用板和框架結(jié)構(gòu)的交叉流動膜分離單元的一部分的總體 結(jié)構(gòu)。其中示出了機油混合物和清掃空氣的流動路徑。
具體實施例方式現(xiàn)代內(nèi)燃機以嚴(yán)格的公差制造，這需要使用高級潤滑油。為滿足這種需要，當(dāng) 前的發(fā)動機潤滑油包括基礎(chǔ)機油和合適添加劑的復(fù)雜混合物，從而使得即使在寬范圍的 苛刻條件下經(jīng)過相當(dāng)長時間的使用之后也能具有所需的潤滑性能。當(dāng)前的潤滑劑或潤滑系統(tǒng)沒有很好解決的一個非常見狀況在車輛發(fā)動機經(jīng)常僅 僅運行很短時間時發(fā)生。在此情況下，潤滑油僅在很少情況下達到其“正?！惫ぷ鳒?度，并且隨后僅運行很短時間。在燃燒過程中，會發(fā)生一些“竄漏”，其驅(qū)動一些未燃燒的燃料和濕氣穿過活塞環(huán)而進入曲軸箱，在此處它們結(jié)合到潤滑油中。當(dāng)機油維持在其“正?！钡?0和 110°C之間的工作溫度下時，這些易揮發(fā)的雜質(zhì)會蒸發(fā)并通過曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)去除。然 而，在持續(xù)的短發(fā)動機工作循環(huán)中，特別是在冬天駕駛過程中會遇到的低環(huán)境溫度下， 這些雜質(zhì)和稀釋劑將積累，并且如果沒有被去除將快速地劣化機油的潤滑能力。水的積 累將非常顯著，并且潤滑油中5%或更大的水濃度會在上述條件下容易發(fā)生，這種濃度是 比0.2%或更小的期望濃度水平大很多的濃度。如果這種雜質(zhì)不能被分離并且清除出機 油，則唯一的可選辦法是以加快的頻度更換機油。
使用半滲透性膜可完成對這些污染液體的清除，該半滲透性膜能夠通過膜選擇 性地輸送混合物的成分。原子和分子可通過物理地穿過膜中的孔或者通過擴散穿過膜而 穿過膜。由于目的是大量地從機油中輸送水和燃料以維持其在機油中的低濃度，因此能 夠進行物理輸送的膜是優(yōu)選的。在分離特定的成分組合時不同膜的性能可通過合適地選 擇膜的物理和化學(xué)性能而得到加強，并且可通過向膜上施加特定的涂層而進一步改進。 例如，在從機油中分離水時，親水和疏油的涂層是優(yōu)選的。
更具體地，涂層包含流動性的分組，但是高度的極性將與例如水和乙醇等極性 液體或與其他極性分組相關(guān)聯(lián)。極性分組的彼此關(guān)聯(lián)將用以通過例如機油、汽油或柴油 燃料等疏水分子而最小化滲透。這種分組的非限制性例子是多元醇(例如聚乙烯醇 鏈)；具有碳水化物側(cè)鏈的分組；聚丙烯酸或其衍生物；以及聚合物，該聚合物包含側(cè) 鏈或具有例如間苯二酚等羥基單元的側(cè)組或者具有銨單元的側(cè)鏈。
乙醇或者與酒精混合燃料相關(guān)的其他酒精或者E85燃料的行為與水類似，且它 們將以與水相當(dāng)?shù)男蚀┩改亩a(chǎn)生水基含酒精滲透物質(zhì)。
從機油中分離燃料(汽油或者柴油燃料)通過如下涂層而得到促進該涂層具 有尺寸選擇性，使得較小的燃料分子可擴散過中孔材料，而較大的機油分子(以及乳化 劑、粘性添加劑和其他潤滑油添加劑)不能通過。一個例子是沸石、硅鋁酸鹽，其具有 非常規(guī)則的分子維度的孔結(jié)構(gòu)，其中孔的尺寸可通過陽離子置換進行“定制”。
分離將在于工作的發(fā)動機中循環(huán)的潤滑油內(nèi)發(fā)生。如圖IA所示，發(fā)動機10包 含一定體積的機油12，機油12容納于機油箱14內(nèi)。在泵(未示出)的作用下，機油從 機油箱通過網(wǎng)孔過濾器/機油入口 16并且通過發(fā)動機油過濾器18被吸入。發(fā)動機油過濾 器18可以是適用于實施本發(fā)明的傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)式機油過濾器或者是同樣適用于實施本發(fā)明 的具有可選設(shè)計的機油過濾器。過濾器18的輸出潤滑油流20包括機油、水和燃料，但 是基本上消除了顆粒物，輸出潤滑油流20進入大致以“A”示出的燃料和水分離系統(tǒng)。 燃料/水分離系統(tǒng)“A”輸出三股液流燃料流，其包括由燃料分離器去除的燃料或者 類似成分；水流，其包括由水分離器去除的水和類似成分，例如乙醇；以及輸出機油流 22，其具有降低的水和燃料雜質(zhì)水平。輸出機油流22隨后被輸送到需要潤滑的所有發(fā)動 機部件，例如軸承、汽缸等(未示出)，并隨后返回機油箱14。
由于目的是獨立地去除機油中的兩種成分燃料和水，優(yōu)選使用獨立且不同的 膜或膜涂層，對每一種膜或膜涂層進行優(yōu)化以保留機油但是輸送水或者燃料。然而，在 燃料和水之間的區(qū)別通過向共用的膜施加涂層而獲得的情況下，對膜的指定區(qū)域進行選 擇性涂層以使這些區(qū)域適于通過燃料或者水則是一個優(yōu)選的方法。
這些膜可以單獨封裝并且如圖IB所示并聯(lián)設(shè)置或者如圖IC所示串聯(lián)設(shè)置，在圖IC中，示出水分離器在燃料分離器之前，然而這不構(gòu)成限制或限定?？蛇x地，兩者均 可封裝在單一容器中，并且設(shè)置成如圖ID所示用于并行流動，或者如圖IE所示串行流 動。燃料和水分離器包括選擇性膜或者涂層，其在一側(cè)由循環(huán)的污染機油接觸，優(yōu) 選地呈交叉流動構(gòu)造。交叉流動構(gòu)造是優(yōu)選的，因為其已經(jīng)被證明可減少通過污染物沉 積產(chǎn)生的污垢或者膜的堵塞?；瘜W(xué)物質(zhì)穿過膜的通行是通過壓力梯度驅(qū)動的，而選擇的 污染物-水或者燃料將通過膜遷移到另一側(cè)膜表面。壓力梯度具有兩種來源。首先， 橫穿膜存在的濃度梯度將產(chǎn)生滲透壓力。第二，由于在膜的一側(cè)上處于其工作壓力下的 機油和在膜另一側(cè)上處于大氣壓力下的清掃氣體而橫穿膜產(chǎn)生壓力梯度。在第二膜表面 上，濃度梯度通過氣流-即“清掃氣體”在膜表面上穿過而持續(xù)地清除被輸送的物質(zhì)從 而維持濃度梯度。清掃氣體最初將包含遷移物質(zhì)的低于平衡濃度的濃度，從而其可以有 效地從膜表面上接收和輸送遷移物質(zhì)。由于內(nèi)燃機和當(dāng)前使用的燃料的寬范圍，待處理的潤滑油流可包含汽油、柴油 燃料或者乙醇以及水。如所指出的，這些燃料成分可基于它們的極性或非極性性質(zhì)區(qū)別 開來。非極性成分-汽油和柴油燃料包括脂肪族和芳香族碳氫化合物的混合物。汽油一 般包括烷烴，其碳原子的數(shù)量在5-12的范圍內(nèi)，而柴油燃料包括鏈?zhǔn)胶头枷阕寤衔铮?其包含10-20個碳原子。當(dāng)然，根據(jù)發(fā)動機的類型，在任何機油容積內(nèi)可能僅具有柴油 燃料或者汽油。由此，在壓燃式或柴油機潤滑系統(tǒng)中對機油污染物的分離將涉及從機油中分離 柴油燃料和水。在火花點火式發(fā)動機中，需要從機油中分離水和相關(guān)乙醇(如果存在) 以及汽油。由于來源于燃燒結(jié)束時在燃燒室中存在的氣體，多種污染物將以接近于它們 在燃燒室中發(fā)生的濃度那樣存在。由于所有發(fā)動機都尋求燃料效率最大化，在正常工作 溫度下在發(fā)動機的燃燒室中存在的水的濃度一般將大于未燃燒的燃料的濃度。然而，燃 料濃度在冷發(fā)動機啟動過程中由于使用了濃燃料_空氣混合物而增加。在具有多次冷發(fā) 動機啟動事件的短程駕駛模式下，在冬季駕駛季節(jié)的末尾，在機油中會積累相當(dāng)?shù)娜剂?和水。在圖2A中以100示出了對應(yīng)于圖ID示出的布置的用于從機油中同時分離水和 燃料的合適的交叉流膜分離設(shè)備。該設(shè)備包括兩組入流通道，一個用于機油，而另一個 用于清掃氣體(例如空氣)。還提供了三個出口，一個用于出流機油流，一個用于含燃料 的清掃氣體，而另一個用于含水的清掃氣體。這些液流不直接相互作用，并且每個液流 遵循其自身預(yù)定的流動路徑而不彼此混合。唯一的相互作用是從入流機油流至清掃氣體 流的滲流的輸送，入流機油流和清掃氣體流之間介入了分開兩股流動的半滲透膜。在由機油泵施加的壓力作用下入流機油流20通過入流管11進入并且通過由端板 17堵塞住的有孔的分配管19，由此迫使機油流分成一系列油流15。期望機油流分成獨立 的油流將有利地產(chǎn)生紊流并且加強在機油中的質(zhì)量輸送?？蛇x地，可引入紊流產(chǎn)生特征 (未示出)，其將與油流15互相作用從而增加流動的紊流性。油流15繞著一系列中空管 狀膜60和65循環(huán)，并且由殼體40引導(dǎo)而通過端壁50上的開口 13以再形成滯留流22并 且通過出流管13離開。同時，清掃氣體流23通過入口 21進入岐管26，在此處其被引導(dǎo) 而通過固定在端壁50中并且朝岐管26開放的管狀膜60和65的中空芯。管狀膜60適于輸送燃料，而管狀膜65適于輸送水。清掃氣體將向下沿著纖維60和65的長度運載任何 滲流、水或燃料。纖維60的另一端固定在端壁52中但是朝岐管28開放。各燃料滲透 承載清掃氣體流27在離開管狀膜60時進入岐管28，在此處它們再形成為燃料流29，燃 料流29通過出口 31離開該設(shè)備。以類似的方式，管狀膜65的另一端也同樣固定在端壁 52中，但是朝岐管36開放。各水滲流承載清掃氣體流37離開管狀膜65并且在岐管36 內(nèi)再形成為水流41。水流41隨后通過出口 39離開該設(shè)備。可以理解，圖2A所示的構(gòu)造可以適度的改進而被“顛倒”，從而機油流沿著管 狀膜60和65的內(nèi)部被引導(dǎo)，而物理分開的清掃氣體流被分配成通過膜的外部。然而， 可以理解，具有小內(nèi)部尺寸(例如直徑小于1毫米)的管狀膜將難以引起紊流。該構(gòu)造在圖2B中示出，其中在圖2A和2B中類似的附圖標(biāo)記用于類似的部件以 便于比較。在入口 21處進入的入流清掃氣體流23由分割件71分成兩股氣流。分開的 氣流被引導(dǎo)進有孔管19。由于阻塞件17，有孔管19內(nèi)的氣流被引導(dǎo)而穿過管狀膜60和 65，管狀膜60和65被優(yōu)化而分別用于輸送燃料和水。在通過管狀膜之后，包含滲透物 的液流27和37通過外殼40而分別被引導(dǎo)到岐管28和36。最終合并的液流27作為含燃 料滲透物的液流29離開，而合并的液流37作為含水滲透物的液流41離開，而滯留機油 作為液流22離開。還可以采用可選的構(gòu)造。圖3示出了螺旋卷繞的膜分離器310的結(jié)構(gòu)。該構(gòu)造 包括有孔的滲流收集管219，在其周圍以螺旋方式包覆了一系列層，所述層包括由膜分離 器272分開的兩個膜270。兩個膜270和膜分離器272構(gòu)成了過濾器的基本單元，而它 們又由進給隔件280分開。分離器272和280以合適方式構(gòu)造為產(chǎn)生流體通道，該流動 通道至少不阻礙液流，并且更期望地，將促進流動。數(shù)個這種層組可以在收集管219上 的不同徑向位置處終結(jié)，從而每個組的膜分離器與收集管219的至少一個孔對準(zhǔn)。在圖 4中示出了卷繞過濾器的局部剖開的立體圖，并且圖中示出了收集管219的孔201。在操作中，再次參考圖3，機油入流以210表示，并且在由流體隔件280產(chǎn)生的 相鄰膜270之間的間隙內(nèi)平行于滲流收集管219流動。入流機油流210的一些部分210’ 經(jīng)過膜270，在此處其通過毛細作用被帶走或者通過毛細作用朝向收集管219被輸送而成 為液流290。在抵達收集管219時，滲流290通過孔201進入收集管219的內(nèi)部，在此處 其將受到真空或者清掃氣流222的作用并且被帶走。圖4示出了入流機油和清掃氣體的 逆流流動，但是也可以接受順流流動。在圖5中示出了使用另一膜構(gòu)造的設(shè)備的一部分。應(yīng)當(dāng)理解，示出的部分可以 根據(jù)需要被復(fù)制多次，并且這些部分以端對端方式連接而構(gòu)成完整的設(shè)備。該設(shè)備使用 了大致平面的膜，并因此更適用于具有有限彈性的膜，這種膜不能形成為管或者彎曲成 螺旋構(gòu)造。此外，大致平面的膜可容易地支撐在合適的基板上，從而使得膜適應(yīng)于較高 的機油壓力進而促成更快的分離。入流機油流310被約束到大致方形的通道內(nèi)，該通道 由上壁表面407和下壁表面401以及側(cè)壁構(gòu)成，其中為清楚起見省略了側(cè)壁。并且，該 板和框架膜分離器構(gòu)造沿著一個盤旋的路徑引導(dǎo)機油流30，該路徑將流體在成對的膜結(jié) 構(gòu)395之間持續(xù)地引導(dǎo)，而膜結(jié)構(gòu)395從流體中吸取滲透物并且產(chǎn)生去除了滲透物的出流 機油流313。該幾何構(gòu)造產(chǎn)生的重復(fù)的流動反轉(zhuǎn)在產(chǎn)生期望的紊流方面非常有效，因此可 用于促進機油中的質(zhì)量輸送。每個膜結(jié)構(gòu)395包括一對由膜分隔器372 (為清楚起見，僅在一個膜結(jié)構(gòu)395中示出了局部剖切圖)分開的膜370，該膜如同在螺旋卷繞過濾器300 中那樣用于通過毛細作用將滲流輸送到岐管410和430。膜結(jié)構(gòu)395在一端由板397密封 并且在其邊緣上由側(cè)壁(未示出)密封。膜結(jié)構(gòu)395以及更具體是分隔器372朝岐管410 和430開放，岐管410和430由雙板401和402以及406和407并配合以側(cè)封閉段403和 404以及405和408形成。機油流310的一些滲透部分310，被輸送過任何膜370并且通 過毛細作用被輸送或攜帶到岐管410或430，如圖中箭頭390所示。岐管410和430引導(dǎo) 清掃氣流420和320穿過滲流輸送膜分隔器372，導(dǎo)致滲流蒸發(fā)并且結(jié)合在清掃氣體中， 清掃氣體作為含滲流流體322和422離開。為了清楚起見示出了兩個單獨的岐管410和 430，但是僅通過適度調(diào)整圖示設(shè)置就能夠使用單一岐管。具體地說，如果膜結(jié)構(gòu)395從 表面407延伸到表面402并且通過具有不對稱定位的流體通過通道而接收機油流，則可以 使用單一岐管。此外，可以理解，盡管已經(jīng)在圖5中用共用附圖標(biāo)記(370)指代膜，暗示每個膜 結(jié)構(gòu)395具有相同的膜化學(xué)性質(zhì)，然而可以將特定的膜化學(xué)性質(zhì)分配給特定的膜結(jié)構(gòu)。 如果交替的膜結(jié)構(gòu)被選擇性地用于輸送燃料和水，這將是特別有用的。以此構(gòu)造，一種 滲流將以流體322離開設(shè)備，而另一種滲流將以流體422離開，同樣能夠在單一設(shè)備中同 時分離水和燃料。圖5示出了具有大致方形截面的板和框架構(gòu)造。其他截面也是可行的。特別關(guān) 注的是圓形截面，因為這種截面的膜分離器將是圓柱形設(shè)備，其入口可配合到當(dāng)前機油 過濾器的輸出端。與在發(fā)動機油循環(huán)路徑內(nèi)的其他位置結(jié)合膜分離器相比，這種組合單 元將導(dǎo)致更少的外部連接。當(dāng)然，這種途經(jīng)對于此構(gòu)造不是唯一的，在圖2-5中示出的 所有設(shè)計都可適于結(jié)合到傳統(tǒng)的機油過濾器上。使用膜分離器來分離機油和水可通過考慮下面闡釋性的非限制性示例而說明。 在所有情況下，使用碳范圍在40-100的5W-30潤滑油和水來制備體積250mL的測試混 合物。水的標(biāo)定濃度在約至約4.5% (重量百分比)的范圍內(nèi)，而大多數(shù)測試使用重 量百分比為2%的標(biāo)定水含量進行，并且混合物受到持續(xù)攪動以保持水作為乳液。典型的 機油流量為每分鐘1.0至2.3克范圍內(nèi)，并且測試在大約25°C至80°C的溫度范圍內(nèi)進行， 而需要特別注意在標(biāo)定溫度為65°C時獲得的結(jié)果。所有測試使用流量為IOOcm3Anin的 清掃空氣進行。使用厘米/秒作為量綱的整體質(zhì)量輸送系數(shù)Kf被用作衡量系統(tǒng)性能的數(shù) 字。示例圖2示出的設(shè)計中的交叉流測試模塊使用從德國的Membrana/Celgard獲得的再 生纖維素纖維制造。該纖維具有200微米的內(nèi)徑，壁厚為8微米，有效孔徑為4-6納米， 并且玻璃轉(zhuǎn)化溫度大于150°C。測試模塊包括16cm長的300個纖維形成的纖維束，且測 試混合物在通過的清掃氣體下以大約1.5克/分的流量持續(xù)循環(huán)通過纖維。在大約65°C 下，在初始水含量為2.1% (重量百分比)下，觀察到大約7.0X 10_5厘米每秒的整體質(zhì)量 輸送系數(shù)。此外，增加機油流量顯示能夠有進一步的性能改進，并且在大約25克/分的 機油流量下，觀察到大約7.0X 10_5厘米每秒的整體質(zhì)量輸送系數(shù)。上述結(jié)果僅僅使用小體積的機油和有限數(shù)量的纖維獲得。然而，通過膜表面面 積的知識，該結(jié)果可放大到更典型的發(fā)動機工作環(huán)境條件下。這種放大表明，以大約4800cm2在前述示例中使用的膜制造的交叉流動分離器能夠在小于一小時內(nèi)在5夸脫發(fā)動 機油中清除大多數(shù)水。該要求可通過在圖2-5中示出的多種設(shè)計變例來滿足，但僅僅作 為示例，一個選擇是使用大致遵循圖2的設(shè)計的交叉流動過濾器，但是其中包含大約25 厘米長的大約3000個纖維。這些可容易地封裝在4厘米直徑的容器內(nèi)。
在清掃氣體流中也將需要類似的放大。一般需要大約2L/分鐘的干氣流。這 可以通過使用干燥劑或者通過使用再生干燥劑干燥器獲得。然而，兩者都增加了車輛質(zhì) 量，而簡單的基于干燥劑的方法需要定期更換干燥劑盒。再生干燥劑干燥器克服了此問 題，但是需要壓縮空氣源，并由此要求增加壓縮機，這相應(yīng)地額外增加了封裝的復(fù)雜性 并增加了質(zhì)量。由此，優(yōu)選地，可以使用具有一些初始水蒸汽含量的環(huán)境空氣。因此， 優(yōu)選通過大約5L/分鐘的環(huán)境空氣。該數(shù)字可通過如下方式減小一些從車輛發(fā)動機艙 內(nèi)吸取空氣，該空氣將處于略微高一些的溫度下并由此具有較低的相對濕度；或者從車 輛的HVAC系統(tǒng)吸取空氣，優(yōu)選在空氣離開空調(diào)換熱器之后立即吸取。如果使用發(fā)動機 艙空氣，則可以在強迫氣流下操作系統(tǒng)，此時車輛正在行駛，特別是以高速公路的速度 行駛，但是為了保持在所有工作模式下(包括停車時的怠速)的工作一致性，清掃空氣的 風(fēng)扇循環(huán)是優(yōu)選的。這可以通過轉(zhuǎn)換一小部分散熱器冷卻空氣完成，但是由于散熱器冷 卻風(fēng)扇通常在需要時才運行，風(fēng)扇在發(fā)動機預(yù)熱過程中不運行，而此時恰好需要氣流。 因此，優(yōu)選使用一個專用于膜分離器的獨立風(fēng)扇?？蛇x地，燃料滯留清掃氣體可通過發(fā) 動機真空“提供動力”并且輸送到進氣岐管內(nèi)以將滯留物分配給發(fā)動機燃料供給源。
從機油中分離水因小的水分子和大的機油分子之間的尺寸差異而得到便利，并 且進一步因它們的化學(xué)性質(zhì)的不同(水具有極性、機油不具有極性)得到進一步促進。這 種極性的差別使得能夠使用由水濕潤但是不能由機油濕潤的膜或涂層，并由此允許水能 夠容易地通過膜孔但是限制機油通過膜孔。
然而，無論柴油燃料還是汽油燃料均是非極性的，因此在不同分子之間進行區(qū) 別以控制它們的滲透率的主要措施是通過分子尺寸。有機分子的尺寸經(jīng)常通過參考其碳 數(shù)量(構(gòu)成分子的碳原子的數(shù)量)而給出。構(gòu)象效應(yīng)使得碳數(shù)量僅僅是分子尺寸的指示 器，因為其沒有清楚地指示分子的脂肪族或者芳香族性質(zhì)。然而，機油和燃料包含化學(xué) 性質(zhì)相似的分子，因此碳數(shù)量將指示從這些分子中進行彼此分離的可行性。
在上面提供的示例中，使用代表當(dāng)前汽車潤滑油的5W-30機油，給定的機油的 碳原子數(shù)量在40-100范圍內(nèi)。在火花點火式發(fā)動機中使用的汽油的碳數(shù)量在5-12范圍 內(nèi)，在壓燃式發(fā)動機中使用的柴油燃料的碳數(shù)量在10-20范圍內(nèi)。由于尺寸范圍不重 疊，膜分離是可行的。然而，該問題可得到進一步簡化，因為碳數(shù)量小于大約16的化合 物對于機油的潤滑性能損害最大。由此，即使分離不徹底，只要其顯著減少了最小碳數(shù) 量的比例，其也將能用來延長潤滑油的使用壽命。
合適的膜是多孔的介質(zhì)，其可以是有機(聚合物)合成物或陶瓷，例如沸石或者 微孔木炭。例如，基于沸石的分子篩通常用于基于分子的尺寸來分離分子。這些晶體的 特征在于一個三維孔系統(tǒng)，其中孔具有精確限定的直徑。該直徑控制著可遷移過膜的特 定分子的尺寸，并且可被調(diào)節(jié)為精確確定的均勻開口，該開口能夠允許小于孔直徑的分 子被吸收而拒絕較大的分子。由于不同的孔尺寸可在合成沸石中容易地形成，因此沸石 可容易地定制為在具有不同尺寸或形狀的分子之間提供良好的區(qū)分。
對于需要更順從的膜的應(yīng)用，期望膜不會因機械負(fù)載而易于斷裂，這些礦物質(zhì) 的或者碳基的分子篩可結(jié)合到聚合物薄膜中以形成復(fù)合膜。這種膜允許形成形狀更復(fù)雜 的膜，但是將減少有效膜表面積，因為總表面面積的有效區(qū)域?qū)⑴c聚合物的分?jǐn)?shù)成比例 地減少。在圖1中示出的整體通路的輸出是兩個含蒸汽的滲流——富含水或者富含燃料。 水流可簡單地蒸發(fā)到空氣中，但燃料流應(yīng)當(dāng)在發(fā)動機中再循環(huán)利用。前面已經(jīng)描述了涉 及將清掃氣體引導(dǎo)到發(fā)動機進氣岐管以提供額外燃料源的方法。然而，另一可選方式是 將清掃空氣引導(dǎo)到排氣岐管中，在此處其可用作NOx排放物的還原劑。這在廢氣中通常 含有很少還原劑的稀燃發(fā)動機中具有特殊價值。然后關(guān)于上面的描述，可以認(rèn)識到，用于本發(fā)明的部件的優(yōu)化尺寸關(guān)系，包括 尺寸、材料、形狀、形式、功能和工作方式、組裝和使用的變例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù) 人員來說應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是清楚和明顯的，并且與附圖中示出并且在說明書中描述的等同關(guān) 系應(yīng)當(dāng)由本發(fā)明所覆蓋。因此，上面的描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為僅僅是對本發(fā)明的原理的闡釋。此外，由于本領(lǐng) 域普通技術(shù)人員容易想到多種改行和變化，這里不將本發(fā)明限制于所示和所描述的精確 構(gòu)造和操作，因此，所有合適的改型和等同體也將落入本發(fā)明的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種從工作的內(nèi)燃機中去除水和燃料物質(zhì)的方法，機油流在內(nèi)燃機中循環(huán)，用于 潤滑發(fā)動機部件，水和燃料物質(zhì)在發(fā)動機工作過程中進入機油，所述方法包括將含水和含燃料的機油流的至少一部分轉(zhuǎn)移到第一膜區(qū)域和第二膜區(qū)域，每個膜區(qū) 域定位成用于接收發(fā)動機潤滑油流并且具有厚度以及和第一和第二相對表面，以及使所 述機油流部分流過每個膜區(qū)域的第一表面，機油流接合第一膜區(qū)域的第一表面，使得一 些水離開機油流并且從第一膜區(qū)域的第一表面穿行到第二表面，并且機油流接合第二膜 區(qū)域的第一表面，使得一些燃料物質(zhì)離開機油流并且從第二膜區(qū)域的第一表面穿行到第 二表面；從第一膜區(qū)域的第二表面去除水； 從第二膜區(qū)域的第二表面去除燃料物質(zhì)；以及在發(fā)動機工作過程中使含水和含燃料的機油持續(xù)循環(huán)通過第一和第二膜區(qū)域。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中從第一膜區(qū)域去除的水和從第二膜區(qū)域去除的燃料 物質(zhì)在發(fā)動機工作過程中被分開處理。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中空氣流過第一膜區(qū)域的第二表面以從該區(qū)域中去除水。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中空氣流過第二膜區(qū)域的第二表面以從該區(qū)域中去除 燃料物質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中第一和第二膜區(qū)域處于不同的膜上。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中機油從第一和第二膜中的一個順序流到另一個。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其中機油同時流過第一和第二膜。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中回收的水被排放到大氣中。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中回收的燃料物質(zhì)在發(fā)動機或發(fā)動機排氣系統(tǒng)中被燃燒。
10.—種發(fā)動機油流通裝置，該裝置設(shè)置在內(nèi)燃機的發(fā)動機油潤滑系統(tǒng)中，所述裝置 包括容納于殼體內(nèi)的膜組件，所述殼體包括用于允許含水和含燃料物質(zhì)的發(fā)動機潤滑油 流進入的第一開口以及用于釋放不含水和不含燃料物質(zhì)的發(fā)動機潤滑油流的第二開口；所述膜組件包括第一膜區(qū)域和第二膜區(qū)域，每個膜區(qū)域具有厚度以及第一和第二相 對表面，其中一個膜區(qū)域的第一表面定位成并且適于接收發(fā)動機潤滑油流，使得一些水 離開機油流并且從該膜區(qū)域的第一表面穿行到其第二表面，并且另一膜區(qū)域的第一表面 定位成并且適于接收機油流，使得一些燃料物質(zhì)離開機油流并且從該另一膜區(qū)域的第一 表面穿行到第二表面；所述殼體還包括用于從該裝置中去除水和燃料物質(zhì)的至少一個出口。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于在內(nèi)燃機中從發(fā)動機油分離水和燃料的膜分離裝置。更具體地，水和燃料污染物質(zhì)可從工作的發(fā)動機的機油流中去除。合適的膜材料被支撐在合適的殼體內(nèi)。至少一部分污染的機油流流經(jīng)膜的一側(cè)，并且水和燃料物質(zhì)通過膜擴散到其另一側(cè)，在此處它們被收集并且從殼體中去除。水和燃料物質(zhì)可使用不同的膜或者膜的不同區(qū)域獨立回收。它們可使用空氣流從膜和殼體上清除以便在殼體外處理。
文檔編號F01M11/03GK102022158SQ20101028604
公開日2011年4月20日 申請日期2010年9月16日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月16日
發(fā)明者A·M·曼斯, G·莫杜科維奇 申請人:通用汽車環(huán)球科技運作公司