CN104081035A - 空气离心装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及与内燃机(2)相关联的空气离心装置，所述内燃机包括至少一个汽缸(21)，通过进气口(22)向所述汽缸提供空气，并且所述汽缸通过排气口(23)排出燃烧气体，所述空气离心装置(1)包括转轮(11)，其配备有桨叶，用于通过旋转驱动气体来加速气体，其中所述转轮(11)安装在轴杆(12)上并且定位在含有所述转轮(11)的包封(13)内，所述包封(13)优选地是圆形的，其中组合件包括至少一个进气孔(14)和至少两个分开的排气孔(15，16)，分别在一个排气孔(15)收集氧分子，并且在一个排气孔(16)收集氮分子，其中至少一个连接管(3)提供在收集氧分子的排气孔(15)与所述内燃机(2)的空气供应管道(24)之间。

Description

空气离心装置
技术领域
本发明涉及空气离心装置，所述装置允许从氮分子中分离氧分子。本发明在内燃机领域中，并且具体而言在装配有此类发动机的机动车辆的领域中具有有利应用。
背景技术
一般来说，内燃机配备有空气入口系统，其包括空气过滤器和可能的各种装置，作为一个或若干空气压缩机或涡轮增压器，意图对准入到发动机的燃烧室内部的空气进行压缩。
新鲜空气通常组成允许进入燃烧室内部的主要氧化剂并且由常温和常压条件下的混合物形成，所述混合物除水蒸汽之外还包括干燥的提取物，干燥的提取物由在体积上为近似78.1％的氮气和20.9％的氧气外加近似1％的其他气体(例如，氩气和二氧化碳)所组成。当提到质量时，这些比例分别是75.5％的氮气和23.1％的氧气。
用于内燃机的发动机控制系统通常是根据这些比例设计的，这可以取决于天气条件或海拔高度发生变化。发动机控制系统通常被设计成优化燃烧效率和使污染物的排放最少，尤其是碳和氮氧化物的排放。此类发动机控制系统的缺点在于在存在于进入空气中的组分并非是可轻易调节的，实质上是氧气的比例，并且因此热动力学效率和污染物排放的优化(通过后处理)不易于监测。
发明内容
本发明提供部分地克服此问题的方案，描述用于调节允许进入到燃烧室中的氧气和氮气的比例的方法，所述方法借助于非常高速的离心装置，利用氧气的密度(1.429kg/m3)与氮气的密度(1.251kg/m3)的差异，从而分离这两种气体。以此方式，通过超离心可以分离氧分子与氮分子，并且随后收集氧分子以通过连接到内燃机的空气入口系统的管道进行传递，所述管道可能与受到监测的阀门相关联，以此方式允许对许可进入到所述空气入口系统内部的氧气的比例进行调节。为了解释此原理并且作为纯粹的实例，将考虑包括设计有桨叶的转轮的装置，具有允许保持在亚音速域中的旋转速度。在标准大气压下在20℃时氧气中的声速是317m/s。对于氮气，在相同的条件下此速度是334.5m/s。因此，如果考虑在桨叶的末端处的300m/s的速度，那么考虑此操作条件下的压力和温度，在所有情况下保持在亚音速域下。(作为假设)我们将采用具有100mm的周长的转轮，这意味着近似16mm的半径r。为了达到V＝300m/s的圆周速度，转轮的旋转速度应是3000转每秒，这等于180000转每分钟，这保持在与(例如)涡轮增压器相同的数量级。在转轮的圆周附近察觉到的离心加速度(V2/r)将近似是5.65x10E6m/s2，这是地球重力加速度(9.81m/s2)的576000倍；离心力将与进行高速旋转的空气质量内部的分子搅动产生的力相对的。以此方式，通过上述条件容易计算出在标准大气压下1cm3体积(这意味着对应的1.429mg的质量)的氧气的离心，生成了8.08N的离心力，而在相同条件下1cm3体积(这意味着对应的1.251mg的质量)的氮气，离心力仅仅是7.07N。此差异在离心装置的圆周附近引起在两种气体之间的压力差，从而产生在“较重的”氧气与“不太重的”氮气之间的分离现象。氧气随后以略微压缩的状态被排放到离心装置的外周附近，这允许借助于下文所描述的各种系统来收集它。
本发明提出与内燃机相关联的空气离心装置，所述空气离心装置包括转轮，所述转轮安装在轴杆上并且放置到含有所述转轮的包封中，所述包封优选具有圆形形状，整个系统包括至少一个进气孔和至少两个不同的排气孔，所述至少两个不同的排气孔被设计成分别在一方面收集氧分子，并且在另一方面收集氮分子，而至少一个连接管道被提供在氧气排气孔与内燃机的空气入口系统之间，所述连接管道可能配备有阀门，对所述阀门进行监测以使得允许进入内燃机的空气入口系统的氧气的量成恰当比例。根据本发明，氮气可以简单地排出到外部，而不会对环境造成任何损害，前提是这发生在正常通风的区域中。相反，如果发现氮气能够用于燃烧或任何其他用途，那么有可能将其隔离并且将其引导通过适于所述用途的一组管道和阀门。
根据本发明，所述空气离心装置可以放置在可能提供在空气入口系统中的空气压缩机或涡轮增压器的上游或下游。
根据本发明，上文中所述的转轮包括根据目前技术水平设计的桨叶，意图通过旋转运动来加速气体，以产生离心现象。所述转轮的轴杆是借助于电动机和适用于此目的传动装置以非常高的旋转速度被驱动的，或者，更有利的是通过使用众所周知的涡轮增压器的原理，使用涡轮机来收集内燃机的排气的焓。所述方案使用离心力来保持气体的分离，进气孔有利地放置在空气离心装置的包封的中央部分附近，而两个不同的排气孔位于所述包封上，分别在转轮的中央与所述转轮的外周之间的中间位置处用于氮气排放，以及在接近所述转轮的外周处的位置用于氧气排放。根据本发明，对于位于所述转轮的外周附近的部分，所述包封的形状经调整以使氧气的收集容易，并且出于此目的，可以包括较宽的截面以允许产生适当厚度的气体带，以获得最佳氧气浓度。
与本发明相关的空气离心装置的一个变体通过用在所述转轮的圆周附近位于包封上的多个小尺寸孔收集氧气来限定。通过提供与放置在受限区域中的单个排气孔相比具有更好渗透率的较大表面，此配置允许氧气收集的优化，而覆盖第一包封的第二包封将允许收集提取到的氧气并且朝向内燃机的空气入口系统引导所述氧气。
与本发明相关的空气离心装置的包封的一个变体通过提供位于所述包封的圆周上的多孔区域来限定，作为实例，所述多孔区域是由半渗透膜构成的，所述膜允许氧分子通过，所述氧分子的尺寸比氮分子的小，所述氧分子的分子直径是0.292nm，而所述膜将抑制尺寸较大的氮分子，所述氮分子的分子直径是0.315nm。此方案随后有助于分离氧分子与氮分子。
本发明的一个变体通过如下方式限定：在空气离心装置的上游添加空气冷却装置，以在某种程度上在离心之前减少空气的分子搅动并且随后提高离心力的作用以分离氧气与氮气。所述空气冷却装置(此处将不对其进行描述)可以类似于被提供用于降低来自涡轮增压器的压缩空气的温度的众所周知的当前技术水平冷却系统。
本发明的一个变体如下方式限定：在添加位于所述涡轮增压器的外周上的孔时修改涡轮增压器的包封，以便收集在桨叶的末端处发现的氧分子。在压缩机的转轮的轴与包封的外周之间的中间位置中放置在涡轮增压器的包封上的孔将允许释放过量的氮气。此方案允许在一个单个的装置中组合压缩机功能和通过离心分离氧气与氮气。
附图说明
本发明的其他目的和优势将作为并非详尽的实例出现在下文的描述中，通过参考所包含的示意性地描述了本发明提出的装置的实现模式的示意图将更易于理解非详尽的实例：
-图1：空气离心装置(1)的侧视示意图。
-图2：空气离心装置(1)的俯视示意图。
-图3：空气离心装置(1)的包封(13)的可能变体的示意图。
-图4：包封(13)的变体的示意图，所述变体是通过在所述包封的外周上添加多个孔获得的，以优化氧气的收集。
-图5：包封(13)的变体的示意图，所述变体是通过在所述包封的外周上添加多孔区域(132)获得的，以优化氧气与氮气之间的分离。
-图6：本发明的一个变体的示意图，所述变体是通过添加放置在空气离心装置(1)的上游的空气冷却装置(4)获得的。
-图7：本发明的一个变体的示意图，所述变体是通过修改涡轮增压器(5)获得的，以获得氧气与氮气之间的分离。
具体实施方式
本发明提出空气离心装置(1)(图1和图2)，所述空气离心装置与内燃机(2)相关联，所述内燃机包括至少一个汽缸(21)，通过进气口(22)向所述汽缸提供空气，并且所述汽缸通过排气孔(23)排出燃烧气体，所述空气离心装置(1)包括转轮(11)，所述转轮安装在轴杆(12)上并且放置在含有所述转轮(11)的包封(13)内部，所述包封(13)优选具有圆形形状，整个系统包括至少一个进气孔(14)和至少两个不同的排气孔(15)和(16)，提供所述至少两个不同的排气孔以分别地在一方面从排气孔(15)收集氧分子，并且在另一方面从排气孔(16)收集氮分子，而至少一个连接管道(3)被提供在氧气排气孔(15)与内燃机(2)的空气入口系统(24)之间，所述连接管道(3)可能配备有阀门(31)，对所述阀门进行监测以使得允许进入空气入口系统(24)的氧气的量成恰当比例。根据本发明，空气离心装置(1)可以被放置在可能提供在空气入口系统(24)中可能提供的空气压缩机或涡轮增压器的上游或下游。
根据本发明，转轮(11)包括根据目前技术水平设计的桨叶，意图通过旋转运动来加速气体，以便产生离心现象。在此处作为实例提出的实现模式中(图2)，根据用于涡轮增压器的众所周知的原理，转轮(11)的轴杆(12)是借助于与内燃机(2)的排气系统(25)的一些元件成直线放置的涡轮机(18)以非常高的旋转速度被驱动的。用于空气离心装置(1)的进气孔被放置在所述空气离心装置的包封(13)的中央部分附近，而被提供用于收集氧气的排气孔(15)位于包封(13)上，在转轮(11)的外周附近的位置处，而被提供用于排出氮气的排气孔(16)也位于包封(13)上，但是是在转轮(11)的轴与所述转轮(11)的外周之间的中间位置处。
根据本发明，对于位于所述转轮(11)的外周附近的部分，包封(13)的形状经调整以使氧气的收集容易，并且出于此目的可以包括较宽的截面(131)(图3)，允许产生适当厚度的气体带，以获得最佳的氧气浓度。
与本发明相关的空气离心装置(1)的变体通过用在转轮(11)的圆周附近位于包封(13)上的多个小尺寸孔收集氧气(图4)来限定。在这种情况下，覆盖第一包封(13)的第二包封(17)将允许收集提取到的氧气并且朝向内燃机(2)的空气入口系统(24)引导所述氧气。
与本发明相关的空气离心装置(1)的变体是通过收集穿过多孔区域(132)的氧气来限定，所述多孔区域是氧分子可渗透的并且接近转轮(11)的圆周位于包封(13)上(图5)。同样在这种情况下，覆盖第一包封(13)的第二包封(17)将允许收集提取到的氧气并且朝向内燃机(2)的空气入口系统(24)引导所述氧气。
本发明的一个变体是通过添加位于空气离心装置(1)的上游的空气冷却装置(4)来限定(图6)，以在离心之前以某种方式减少气体的分子搅动。此处将不会描述所述空气冷却装置(4)，但是所述空气冷却装置装置可以类似于众所周知的目前技术的冷却系统，例如，空气对空气的中间冷却器，或者空气对液体的热交换器，提供空气冷却装置以降低来自涡轮增压器的压缩空气的温度。
本发明的一个变体是通过修改涡轮增压器(5)的包封(51)来限定(图7)，方法是添加位于所述涡轮增压器(5)的外周上的一个或若干个孔(52)，以便收集在这个区域中发现的氧分子。孔(53)被放置在涡轮增压器(5)的包封(51)上，位于所述涡轮增压器的轴与包封(51)的外周之间的中间位置处，所述孔将允许释放氮气。此方案允许在一个单个的装置中组合压缩机功能和通过离心分离氧气与氮气。

Claims (7)

1.与内燃机(2)相关联的空气离心装置，所述内燃机包括至少一个汽缸(21)，通过空气进气口(22)向所述汽缸提供空气，并且所述汽缸通过排气孔(23)排出燃烧气体，所述空气离心装置(1)包括转轮(11)，所述转轮安装在轴杆(12)上并且放置在含有所述转轮(11)的包封(13)内部，所述包封(13)优选具有圆形形状，整个系统包括至少一个空气进气孔(14)和至少两个不同的排气孔(15)和(16)，提供所述至少两个不同的排气孔以分别在一方面从排气孔(15)收集氧分子，并且在另一方面从排气孔(16)收集氮分子，同时至少一个连接管道(3)被提供在所述氧气排气孔(15)与所述内燃机(2)的空气入口系统(24)之间，其特征在于：
所述转轮(11)包括根据现有技术水平设计的桨叶，意图通过旋转运动来加速气体，转轮(11)的所述轴杆(12)借助于与所述内燃机(2)的排气系统(25)的一些元件成直线放置的涡轮机(18)以非常高的旋转速度被驱动，
所述空气进气孔(14)放置在所述空气离心装置(1)的包封(13)的中央部分附近，同时被提供用于收集氧气的所述排气孔(15)位于包封(13)上，处在所述转轮(11)的外周附近的位置处，而被提供用于排出氮气的所述排气孔(16)也位于包封(13)上，但是是在所述转轮(11)的轴与所述转轮(11)的外周之间的中间位置处。
2.根据权利要求1所述的空气离心装置，其特征在于对于位于转轮(11)的所述外周附近的部分，包封(13)的形状包括较宽的截面(131)，以允许产生适当厚度的气体带以获得最佳氧气浓度。
3.根据权利要求1和2所述的空气离心装置，其特征在于氧气是在所述转轮(11)的圆周附近借助于位于包封(13)上的多个小尺寸孔收集的，而覆盖所述第一包封(13)的第二包封(17)允许收集提取的氧气并且朝向所述内燃机(2)的所述空气入口系统(24)引导所述氧气。
4.根据权利要求1和2所述的空气离心装置，其特征在于对于氧分子可渗透的多孔区域(132)位于包封(13)上，接近转轮(11)的圆周，而覆盖所述第一包封(13)的第二包封(17)允许收集提取的氧气并且朝向所述内燃机(2)的所述空气入口系统(24)引导所述氧气。
5.根据权利要求1到4所述的空气离心装置，其特征在于空气冷却装置(4)位于所述空气离心装置(1)的上游。
6.根据权利要求1到5所述的空气离心装置，其特征在于所述转轮(11)的轴杆(12)借助于电机和为此目的设计的传动装置以非常高的旋转速度被驱动。
7.根据权利要求1到6所述的空气离心装置，其特征在于一个或若干个孔(52)设置在涡轮增压器(5)的包封(51)的外周上，以收集氧气，而孔(53)设置在所述涡轮增压器(5)的所述包封(51)上，位于所述涡轮增压器的轴与所述包封(51)的外周之间的中间位置上，允许排出氮气。
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