空氣離心裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及與內(nèi)燃機(jī)(2)相關(guān)聯(lián)的空氣離心裝置，所述內(nèi)燃機(jī)包括至少一個(gè)汽缸(21)，通過(guò)進(jìn)氣口(22)向所述汽缸提供空氣，并且所述汽缸通過(guò)排氣口(23)排出燃燒氣體，所述空氣離心裝置(1)包括轉(zhuǎn)輪(11)，其配備有槳葉，用于通過(guò)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)氣體來(lái)加速氣體，其中所述轉(zhuǎn)輪(11)安裝在軸桿(12)上并且定位在含有所述轉(zhuǎn)輪(11)的包封(13)內(nèi)，所述包封(13)優(yōu)選地是圓形的，其中組合件包括至少一個(gè)進(jìn)氣孔(14)和至少兩個(gè)分開(kāi)的排氣孔(15，16)，分別在一個(gè)排氣孔(15)收集氧分子，并且在一個(gè)排氣孔(16)收集氮分子，其中至少一個(gè)連接管(3)提供在收集氧分子的排氣孔(15)與所述內(nèi)燃機(jī)(2)的空氣供應(yīng)管道(24)之間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】空氣離心裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及空氣離心裝置，所述裝置允許從氮分子中分離氧分子。本發(fā)明在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域中，并且具體而言在裝配有此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)動(dòng)車(chē)輛的領(lǐng)域中具有有利應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002]一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)燃機(jī)配備有空氣入口系統(tǒng)，其包括空氣過(guò)濾器和可能的各種裝置，作為一個(gè)或若干空氣壓縮機(jī)或渦輪增壓器，意圖對(duì)準(zhǔn)入到發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室內(nèi)部的空氣進(jìn)行壓縮。
[0003]新鮮空氣通常組成允許進(jìn)入燃燒室內(nèi)部的主要氧化劑并且由常溫和常壓條件下的混合物形成，所述混合物除水蒸汽之外還包括干燥的提取物，干燥的提取物由在體積上為近似78.1 %的氮?dú)夂?0.9%的氧氣外加近似I %的其他氣體(例如，氬氣和二氧化碳)所組成。當(dāng)提到質(zhì)量時(shí)，這些比例分別是75.5%的氮?dú)夂?3.1%的氧氣。
[0004]用于內(nèi)燃機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通常是根據(jù)這些比例設(shè)計(jì)的，這可以取決于天氣條件或海拔高度發(fā)生變化。發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)成優(yōu)化燃燒效率和使污染物的排放最少，尤其是碳和氮氧化物的排放。此類(lèi)發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于在存在于進(jìn)入空氣中的組分并非是可輕易調(diào)節(jié)的，實(shí)質(zhì)上是氧氣的比例，并且因此熱動(dòng)力學(xué)效率和污染物排放的優(yōu)化(通過(guò)后處理)不易于監(jiān)測(cè)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明提供部分地克服此問(wèn)題的方案，描述用于調(diào)節(jié)允許進(jìn)入到燃燒室中的氧氣和氮?dú)獾谋壤姆椒ǎ龇椒ń柚诜浅８咚俚碾x心裝置，利用氧氣的密度(1.429kg/m3)與氮?dú)獾拿芏?1.251kg/m3)的差異，從而分離這兩種氣體。以此方式，通過(guò)超離心可以分離氧分子與氮分子，并且隨后收集氧分子以通過(guò)連接到內(nèi)燃機(jī)的空氣入口系統(tǒng)的管道進(jìn)行傳遞，所述管道可能與受到監(jiān)測(cè)的閥門(mén)相關(guān)聯(lián)，以此方式允許對(duì)許可進(jìn)入到所述空氣入口系統(tǒng)內(nèi)部的氧氣的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。為了解釋此原理并且作為純粹的實(shí)例，將考慮包括設(shè)計(jì)有槳葉的轉(zhuǎn)輪的裝置，具有允許保持在亞音速域中的旋轉(zhuǎn)速度。在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下在20°C時(shí)氧氣中的聲速是317m/s。對(duì)于氮?dú)?，在相同的條件下此速度是334.5m/s。因此，如果考慮在槳葉的末端處的300m/s的速度，那么考慮此操作條件下的壓力和溫度，在所有情況下保持在亞音速域下。(作為假設(shè))我們將采用具有10mm的周長(zhǎng)的轉(zhuǎn)輪，這意味著近似16mm的半徑r。為了達(dá)到V = 300m/s的圓周速度，轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn)速度應(yīng)是3000轉(zhuǎn)每秒，這等于180000轉(zhuǎn)每分鐘，這保持在與(例如)渦輪增壓器相同的數(shù)量級(jí)。在轉(zhuǎn)輪的圓周附近察覺(jué)到的離心加速度(V2/r)將近似是5.65xlOE6m/s2，這是地球重力加速度(9.81m/s2)的576000倍；離心力將與進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)的空氣質(zhì)量?jī)?nèi)部的分子攪動(dòng)產(chǎn)生的力相對(duì)的。以此方式，通過(guò)上述條件容易計(jì)算出在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下Icm3體積(這意味著對(duì)應(yīng)的1.429mg的質(zhì)量)的氧氣的離心，生成了 8.08N的離心力，而在相同條件下Icm3體積(這意味著對(duì)應(yīng)的1.251mg的質(zhì)量)的氮?dú)猓x心力僅僅是7.07N。此差異在離心裝置的圓周附近引起在兩種氣體之間的壓力差，從而產(chǎn)生在“較重的”氧氣與“不太重的”氮?dú)庵g的分離現(xiàn)象。氧氣隨后以略微壓縮的狀態(tài)被排放到離心裝置的外周附近，這允許借助于下文所描述的各種系統(tǒng)來(lái)收集它。
[0006]本發(fā)明提出與內(nèi)燃機(jī)相關(guān)聯(lián)的空氣離心裝置，所述空氣離心裝置包括轉(zhuǎn)輪，所述轉(zhuǎn)輪安裝在軸桿上并且放置到含有所述轉(zhuǎn)輪的包封中，所述包封優(yōu)選具有圓形形狀，整個(gè)系統(tǒng)包括至少一個(gè)進(jìn)氣孔和至少兩個(gè)不同的排氣孔，所述至少兩個(gè)不同的排氣孔被設(shè)計(jì)成分別在一方面收集氧分子，并且在另一方面收集氮分子，而至少一個(gè)連接管道被提供在氧氣排氣孔與內(nèi)燃機(jī)的空氣入口系統(tǒng)之間，所述連接管道可能配備有閥門(mén)，對(duì)所述閥門(mén)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以使得允許進(jìn)入內(nèi)燃機(jī)的空氣入口系統(tǒng)的氧氣的量成恰當(dāng)比例。根據(jù)本發(fā)明，氮?dú)饪梢院?jiǎn)單地排出到外部，而不會(huì)對(duì)環(huán)境造成任何損害，前提是這發(fā)生在正常通風(fēng)的區(qū)域中。相反，如果發(fā)現(xiàn)氮?dú)饽軌蛴糜谌紵蛉魏纹渌猛?，那么有可能將其隔離并且將其引導(dǎo)通過(guò)適于所述用途的一組管道和閥門(mén)。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，所述空氣離心裝置可以放置在可能提供在空氣入口系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)或渦輪增壓器的上游或下游。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，上文中所述的轉(zhuǎn)輪包括根據(jù)目前技術(shù)水平設(shè)計(jì)的槳葉，意圖通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)加速氣體，以產(chǎn)生離心現(xiàn)象。所述轉(zhuǎn)輪的軸桿是借助于電動(dòng)機(jī)和適用于此目的傳動(dòng)裝置以非常高的旋轉(zhuǎn)速度被驅(qū)動(dòng)的，或者，更有利的是通過(guò)使用眾所周知的渦輪增壓器的原理，使用渦輪機(jī)來(lái)收集內(nèi)燃機(jī)的排氣的焓。所述方案使用離心力來(lái)保持氣體的分離，進(jìn)氣孔有利地放置在空氣離心裝置的包封的中央部分附近，而兩個(gè)不同的排氣孔位于所述包封上，分別在轉(zhuǎn)輪的中央與所述轉(zhuǎn)輪的外周之間的中間位置處用于氮?dú)馀欧?，以及在接近所述轉(zhuǎn)輪的外周處的位置用于氧氣排放。根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于位于所述轉(zhuǎn)輪的外周附近的部分，所述包封的形狀經(jīng)調(diào)整以使氧氣的收集容易，并且出于此目的，可以包括較寬的截面以允許產(chǎn)生適當(dāng)厚度的氣體帶，以獲得最佳氧氣濃度。
[0009]與本發(fā)明相關(guān)的空氣離心裝置的一個(gè)變體通過(guò)用在所述轉(zhuǎn)輪的圓周附近位于包封上的多個(gè)小尺寸孔收集氧氣來(lái)限定。通過(guò)提供與放置在受限區(qū)域中的單個(gè)排氣孔相比具有更好滲透率的較大表面，此配置允許氧氣收集的優(yōu)化，而覆蓋第一包封的第二包封將允許收集提取到的氧氣并且朝向內(nèi)燃機(jī)的空氣入口系統(tǒng)引導(dǎo)所述氧氣。
[0010]與本發(fā)明相關(guān)的空氣離心裝置的包封的一個(gè)變體通過(guò)提供位于所述包封的圓周上的多孔區(qū)域來(lái)限定，作為實(shí)例，所述多孔區(qū)域是由半滲透膜構(gòu)成的，所述膜允許氧分子通過(guò)，所述氧分子的尺寸比氮分子的小，所述氧分子的分子直徑是0.292nm，而所述膜將抑制尺寸較大的氮分子，所述氮分子的分子直徑是0.315nm。此方案隨后有助于分離氧分子與氮分子。
[0011]本發(fā)明的一個(gè)變體通過(guò)如下方式限定:在空氣離心裝置的上游添加空氣冷卻裝置，以在某種程度上在離心之前減少空氣的分子攪動(dòng)并且隨后提高離心力的作用以分離氧氣與氮?dú)?。所述空氣冷卻裝置(此處將不對(duì)其進(jìn)行描述)可以類(lèi)似于被提供用于降低來(lái)自渦輪增壓器的壓縮空氣的溫度的眾所周知的當(dāng)前技術(shù)水平冷卻系統(tǒng)。
[0012]本發(fā)明的一個(gè)變體如下方式限定:在添加位于所述渦輪增壓器的外周上的孔時(shí)修改渦輪增壓器的包封，以便收集在槳葉的末端處發(fā)現(xiàn)的氧分子。在壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)輪的軸與包封的外周之間的中間位置中放置在渦輪增壓器的包封上的孔將允許釋放過(guò)量的氮?dú)狻４朔桨冈试S在一個(gè)單個(gè)的裝置中組合壓縮機(jī)功能和通過(guò)離心分離氧氣與氮?dú)狻?br>
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0013]本發(fā)明的其他目的和優(yōu)勢(shì)將作為并非詳盡的實(shí)例出現(xiàn)在下文的描述中，通過(guò)參考所包含的示意性地描述了本發(fā)明提出的裝置的實(shí)現(xiàn)模式的示意圖將更易于理解非詳盡的實(shí)例:
[0014]-圖1:空氣離心裝置(I)的側(cè)視示意圖。
[0015]-圖2:空氣離心裝置(I)的俯視示意圖。
[0016]-圖3:空氣離心裝置(I)的包封(13)的可能變體的示意圖。
[0017]-圖4:包封(13)的變體的示意圖，所述變體是通過(guò)在所述包封的外周上添加多個(gè)孔獲得的，以?xún)?yōu)化氧氣的收集。
[0018]-圖5:包封(13)的變體的示意圖，所述變體是通過(guò)在所述包封的外周上添加多孔區(qū)域(132)獲得的，以?xún)?yōu)化氧氣與氮?dú)庵g的分離。
[0019]-圖6:本發(fā)明的一個(gè)變體的示意圖，所述變體是通過(guò)添加放置在空氣離心裝置(I)的上游的空氣冷卻裝置(4)獲得的。
[0020]-圖7:本發(fā)明的一個(gè)變體的示意圖，所述變體是通過(guò)修改渦輪增壓器(5)獲得的，以獲得氧氣與氮?dú)庵g的分離。

【具體實(shí)施方式】
[0021]本發(fā)明提出空氣離心裝置(I)(圖1和圖2)，所述空氣離心裝置與內(nèi)燃機(jī)⑵相關(guān)聯(lián)，所述內(nèi)燃機(jī)包括至少一個(gè)汽缸(21)，通過(guò)進(jìn)氣口(22)向所述汽缸提供空氣，并且所述汽缸通過(guò)排氣孔(23)排出燃燒氣體，所述空氣離心裝置(I)包括轉(zhuǎn)輪(11)，所述轉(zhuǎn)輪安裝在軸桿(12)上并且放置在含有所述轉(zhuǎn)輪(11)的包封(13)內(nèi)部，所述包封(13)優(yōu)選具有圓形形狀，整個(gè)系統(tǒng)包括至少一個(gè)進(jìn)氣孔(14)和至少兩個(gè)不同的排氣孔(15)和(16)，提供所述至少兩個(gè)不同的排氣孔以分別地在一方面從排氣孔(15)收集氧分子，并且在另一方面從排氣孔(16)收集氮分子，而至少一個(gè)連接管道(3)被提供在氧氣排氣孔(15)與內(nèi)燃機(jī)(2)的空氣入口系統(tǒng)(24)之間，所述連接管道(3)可能配備有閥門(mén)(31)，對(duì)所述閥門(mén)進(jìn)行監(jiān)測(cè)以使得允許進(jìn)入空氣入口系統(tǒng)(24)的氧氣的量成恰當(dāng)比例。根據(jù)本發(fā)明，空氣離心裝置(I)可以被放置在可能提供在空氣入口系統(tǒng)(24)中可能提供的空氣壓縮機(jī)或渦輪增壓器的上游或下游。
[0022]根據(jù)本發(fā)明，轉(zhuǎn)輪(11)包括根據(jù)目前技術(shù)水平設(shè)計(jì)的槳葉，意圖通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)加速氣體，以便產(chǎn)生離心現(xiàn)象。在此處作為實(shí)例提出的實(shí)現(xiàn)模式中(圖2)，根據(jù)用于渦輪增壓器的眾所周知的原理，轉(zhuǎn)輪(11)的軸桿(12)是借助于與內(nèi)燃機(jī)(2)的排氣系統(tǒng)(25)的一些元件成直線(xiàn)放置的渦輪機(jī)(18)以非常高的旋轉(zhuǎn)速度被驅(qū)動(dòng)的。用于空氣離心裝置(I)的進(jìn)氣孔被放置在所述空氣離心裝置的包封(13)的中央部分附近，而被提供用于收集氧氣的排氣孔(15)位于包封(13)上，在轉(zhuǎn)輪(11)的外周附近的位置處，而被提供用于排出氮?dú)獾呐艢饪?16)也位于包封(13)上，但是是在轉(zhuǎn)輪(11)的軸與所述轉(zhuǎn)輪(11)的外周之間的中間位置處。
[0023]根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于位于所述轉(zhuǎn)輪(11)的外周附近的部分，包封(13)的形狀經(jīng)調(diào)整以使氧氣的收集容易，并且出于此目的可以包括較寬的截面(131)(圖3)，允許產(chǎn)生適當(dāng)厚度的氣體帶，以獲得最佳的氧氣濃度。
[0024]與本發(fā)明相關(guān)的空氣離心裝置(I)的變體通過(guò)用在轉(zhuǎn)輪(11)的圓周附近位于包封(13)上的多個(gè)小尺寸孔收集氧氣(圖4)來(lái)限定。在這種情況下，覆蓋第一包封(13)的第二包封(17)將允許收集提取到的氧氣并且朝向內(nèi)燃機(jī)(2)的空氣入口系統(tǒng)(24)引導(dǎo)所述氧氣。
[0025]與本發(fā)明相關(guān)的空氣離心裝置⑴的變體是通過(guò)收集穿過(guò)多孔區(qū)域(132)的氧氣來(lái)限定，所述多孔區(qū)域是氧分子可滲透的并且接近轉(zhuǎn)輪(11)的圓周位于包封(13)上(圖5)。同樣在這種情況下，覆蓋第一包封(13)的第二包封(17)將允許收集提取到的氧氣并且朝向內(nèi)燃機(jī)(2)的空氣入口系統(tǒng)(24)引導(dǎo)所述氧氣。
[0026]本發(fā)明的一個(gè)變體是通過(guò)添加位于空氣離心裝置(I)的上游的空氣冷卻裝置(4)來(lái)限定(圖6)，以在離心之前以某種方式減少氣體的分子攪動(dòng)。此處將不會(huì)描述所述空氣冷卻裝置(4)，但是所述空氣冷卻裝置裝置可以類(lèi)似于眾所周知的目前技術(shù)的冷卻系統(tǒng)，例如，空氣對(duì)空氣的中間冷卻器，或者空氣對(duì)液體的熱交換器，提供空氣冷卻裝置以降低來(lái)自渦輪增壓器的壓縮空氣的溫度。
[0027]本發(fā)明的一個(gè)變體是通過(guò)修改渦輪增壓器(5)的包封(51)來(lái)限定(圖7)，方法是添加位于所述渦輪增壓器(5)的外周上的一個(gè)或若干個(gè)孔(52)，以便收集在這個(gè)區(qū)域中發(fā)現(xiàn)的氧分子?？?53)被放置在渦輪增壓器(5)的包封(51)上，位于所述渦輪增壓器的軸與包封(51)的外周之間的中間位置處，所述孔將允許釋放氮?dú)?。此方案允許在一個(gè)單個(gè)的裝置中組合壓縮機(jī)功能和通過(guò)離心分離氧氣與氮?dú)狻?br> 【權(quán)利要求】
1.與內(nèi)燃機(jī)(2)相關(guān)聯(lián)的空氣離心裝置，所述內(nèi)燃機(jī)包括至少一個(gè)汽缸(21)，通過(guò)空氣進(jìn)氣口(22)向所述汽缸提供空氣，并且所述汽缸通過(guò)排氣孔(23)排出燃燒氣體，所述空氣離心裝置(I)包括轉(zhuǎn)輪(11)，所述轉(zhuǎn)輪安裝在軸桿(12)上并且放置在含有所述轉(zhuǎn)輪(11)的包封(13)內(nèi)部，所述包封(13)優(yōu)選具有圓形形狀，整個(gè)系統(tǒng)包括至少一個(gè)空氣進(jìn)氣孔(14)和至少兩個(gè)不同的排氣孔(15)和(16)，提供所述至少兩個(gè)不同的排氣孔以分別在一方面從排氣孔(15)收集氧分子，并且在另一方面從排氣孔(16)收集氮分子，同時(shí)至少一個(gè)連接管道(3)被提供在所述氧氣排氣孔(15)與所述內(nèi)燃機(jī)(2)的空氣入口系統(tǒng)(24)之間，其特征在于: 所述轉(zhuǎn)輪(11)包括根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)水平設(shè)計(jì)的槳葉，意圖通過(guò)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)加速氣體，轉(zhuǎn)輪(11)的所述軸桿(12)借助于與所述內(nèi)燃機(jī)(2)的排氣系統(tǒng)(25)的一些元件成直線(xiàn)放置的渦輪機(jī)(18)以非常高的旋轉(zhuǎn)速度被驅(qū)動(dòng)， 所述空氣進(jìn)氣孔(14)放置在所述空氣離心裝置(I)的包封(13)的中央部分附近，同時(shí)被提供用于收集氧氣的所述排氣孔(15)位于包封(13)上，處在所述轉(zhuǎn)輪(11)的外周附近的位置處，而被提供用于排出氮?dú)獾乃雠艢饪?16)也位于包封(13)上，但是是在所述轉(zhuǎn)輪(11)的軸與所述轉(zhuǎn)輪(11)的外周之間的中間位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的空氣離心裝置，其特征在于對(duì)于位于轉(zhuǎn)輪(11)的所述外周附近的部分，包封(13)的形狀包括較寬的截面(131)，以允許產(chǎn)生適當(dāng)厚度的氣體帶以獲得最佳氧氣濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的空氣離心裝置，其特征在于氧氣是在所述轉(zhuǎn)輪(11)的圓周附近借助于位于包封(13)上的多個(gè)小尺寸孔收集的，而覆蓋所述第一包封(13)的第二包封(17)允許收集提取的氧氣并且朝向所述內(nèi)燃機(jī)(2)的所述空氣入口系統(tǒng)(24)引導(dǎo)所述氧氣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的空氣離心裝置，其特征在于對(duì)于氧分子可滲透的多孔區(qū)域(132)位于包封(13)上，接近轉(zhuǎn)輪(11)的圓周，而覆蓋所述第一包封(13)的第二包封(17)允許收集提取的氧氣并且朝向所述內(nèi)燃機(jī)(2)的所述空氣入口系統(tǒng)(24)引導(dǎo)所述氧氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4所述的空氣離心裝置，其特征在于空氣冷卻裝置(4)位于所述空氣離心裝置(I)的上游。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5所述的空氣離心裝置，其特征在于所述轉(zhuǎn)輪(11)的軸桿(12)借助于電機(jī)和為此目的設(shè)計(jì)的傳動(dòng)裝置以非常高的旋轉(zhuǎn)速度被驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1到6所述的空氣離心裝置，其特征在于一個(gè)或若干個(gè)孔(52)設(shè)置在渦輪增壓器(5)的包封(51)的外周上，以收集氧氣，而孔(53)設(shè)置在所述渦輪增壓器(5)的所述包封(51)上，位于所述渦輪增壓器的軸與所述包封(51)的外周之間的中間位置上，允許排出氮?dú)狻?br> 【文檔編號(hào)】F02M25/12GK104081035SQ201280061004
【公開(kāi)日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2012年10月1日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月11日
【發(fā)明者】安德烈·普約爾 申請(qǐng)人:安德烈·普約爾