CN1802499A - 运行车辆特别是汽车的内燃机的方法以及用于实施这种方法的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种运行车辆特别是汽车的内燃机的方法，其中，在将从环境空气吸进的吸入空气流送往至少一个内燃机燃烧室之前，使吸入空气流中的氮气含量降低，以产生一种氮气减少了的燃烧用空气流，其氧气含量高于所吸进的吸入空气流的氧气含量，其特征在于，吸入空气流(1)沿着吸入空气流动路径(3)的至少一个部分区域在至少一个多孔隙的固体壁(5)旁边流过和/或沿着它流动，其孔隙大小这样设计，使得吸入空气沿着多孔隙的固体壁(5)流过的那些氧气及氮气分子中，穿过多孔隙的固体壁(5)的氮气分子数量比氧气分子数量多，以形成可以被输送给所述至少一个燃烧室(7)的作为主气流(8)的氮气减少而氧气加浓的燃烧用空气流以及至少一个氮气加浓而氧气减少的副气流(9)，副气流不输送给所述至少一个燃烧室(7)。
Description
本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的运行车辆特别是汽车的内燃机的方法，以及一种根据权利要求11的前序部分的用于实施这种方法的装置。
为了减少内燃机的有害成份，通常已知的是，对导入到内燃机燃烧室中作为燃烧用空气的环境空气进行预处理，它通常由21％的氧气，78％的氮气以及1％的其他气体共同组成。因此由DE 197 10 840已知，设有一种通往进气道的加浓通道，其中在加浓通道内设有一种氧气分子可通过的膜片。利用在进气道中存在的负压，环境空气穿过膜片被吸入，环境空气随后在出口侧用氧气加浓。在这些混合气体作为燃烧用空气被导入到燃烧室之前，在加浓通道的通入区域内在进气道中发生正常吸进的环境空气与从加浓通道中进入的氧气加浓的空气的混合。
由DE 195 43 884 A1已知一种方法，其中氧气加浓的体积流昂贵地在一个非低温的(nichtkryogen)分离装置中从空气气流中利用渗透得到并将其导入到内燃机中。从非低温的分离装置中得到的氧气加浓的体积流量被压缩然后在一个缓冲器里中间存储并在那里根据需要进行分配。
由DE 197 10 842 A1已知一种用于减少内燃机中的有害物质和燃烧废气的方法，其中，氧气含量增大的燃烧用空气被导入到内燃机中，在此，来自环境空气的燃烧用空气通过一个设置在一箱体内的并且仅让氧气分子穿过的膜片来获得。为了减少催化转化器的响应时间并且从而能够减少在催化之后的有害排放，此处建议，氧气含量增大的气流根据内燃机的运行工况与吸进的空气相混合。
由DE 199 12 137 A1已知一种氧气加浓的内燃机，其中，这种内燃机具有一个气体存储装置用于存储所产生的氧气加浓的气体，其中设有用于从内燃机冷启动阶段直到实现预先设定的暖机状态的过程中将气体存储装置中存储的氧气加浓的气体送往内燃机的装置。在内燃机的暖机工况中至少有时候氧气增浓的气体通过一氧气分离装置从空气中产生并在气体存储装置里中间存储。
由DE 44 04 681 C1也已知一种与DE 197 10 840 A1相似的方法和相似的构造，其中一个与燃烧室相连的排气管至少安装有一个用来输送氧气-氮气混合气的导管，它设有一个让氧气能够通过的或者存储氧气的中间壁，并且通过它只有氧气被导入到从燃烧室里导出的燃烧废气中。
由DE 42 01 423 A1已知一种方法，其中，将一种昂贵的气体渗透装置安装在柴油机之前，从而输送给柴油机的燃烧用空气首先完全穿过一种膜片被过滤，以便产生氧气加浓的燃烧用空气流。
由WO 01/18369 A1也已知另外一种同类型的用于汽车内燃机运行的方法。具体来讲，其中设有用作气体分离装置的氮气吸收器，但是它非常昂贵并且安装麻烦。这种氧气加浓的气体在这里之后再次通过一个独立的导管与从大气中或者环境中吸进的未氧气加浓的燃烧用空气相混合。
所有这些方法和构造的共同点在于，或者是氧气加浓的气体通过一个独立的导管与从环境空气中吸进的气流混合，或者是这些吸进的燃烧用空气在导入燃烧室之前完全通过一个膜片过滤来进行氧气加浓。这种构造的问题在于，在第一种情况中要求高的设备以及构造技术成本，而在第二种情况中存在这样的危险，即这种膜片随时都在老化并且因此不能再确保所需要的气流进入燃烧室。因此，在这里对于投入批量应用的实施及实现是困难的。
本发明的目的在于，提供一种运行车辆特别是汽车的内燃机的方法，以及一种用于实施这种方法的装置，利用这种方法或装置，可以以简单和有效的方式对导入内燃机燃烧室内的燃烧用空气进行氧气加浓。
所述目的关于方法通过权利要求1的特征来实现。
根据权利要求1，吸入空气流沿着吸入空气流动路径的至少一个部分区域在至少一个多孔隙的固体壁旁边流过和/或沿着它流动，其孔隙大小这样设计，使得吸入空气的沿着多孔隙的固体壁流过的氧气及氮气分子中，穿过多孔隙的固体壁的氮气分子数量比氧气分子数量多。由此形成可以被输送给至少一个燃烧室的作为主气流的氮气减少而氧气加浓的燃烧用空气流以及形成至少一个氮气加浓而氧气减少的副气流，副气流不被导入所述至少一个燃烧室中。
因此，在按照本发明的方法中，特别有利的是，可以在一定程度上附带着将氮气从基本上无阻碍流动的作为吸入空气流的主气流中分支出去，因为致使氧气加浓的多孔隙固体壁这样地沿着吸入空气的流动路径设置，使得吸入空气的旁流或者旁掠就足以实现被导入燃烧室内的燃烧用空气流中的氧气加浓和氮气减少。也就是说，在按照本发明的解决方案中，这些吸进的燃烧用空气实际上是无阻碍地流动的，而在现有技术中采取了一些措施，它们总体上减弱了或者从形式上改变了进入燃烧室的气流，例如通过使用封堵气流通道的膜片或者过滤器，吸进的燃烧用空气必须完全地流过膜片或过滤器，并且膜片或过滤器此外还可能随着时间推移而老化。另外的优点是不需要附加的设备技术上的构造，例如气体存储装置或者附加的空气导管—必须利用这些装置在一个单独的设备中将产生的氧气加浓的气体混合到吸入空气流中。在按照本发明的方法中因此确保了所有被吸进的气体能够沿着通向燃烧室的方向流动。
正如试验已经表明的那样，在同样的温度下氮气分子与重量重于氮气分子的氧气分子相比具有较高的速度。该不同的速度导致在分子与多孔隙固体壁碰撞的过程中，氮气分子比氧气分子能够更轻松并且更快地穿过多孔隙的固体壁。氮气分子和氧气分子的这种不同的传输及速度特性在此以特别简单的方式被有利地利用，以便减少吸入空气流中的氮气，从而形成一种氮气减少的而氧气加浓的燃烧用空气流，并且这里不需要高花费地混合氧气加浓的气流或通过膜片或者类似装置对所有气流进行影响流动特性的过滤。按照本发明，氧气加浓可以说是附带着实现的。
另外，通过这种方法在与内燃机运行有关的实施中也可以实现：减少氮氧化物并且也能减少一氧化碳、碳氢化合物和碳黑颗粒的未处理排放。排出的有害物质的减少此外还使得排气设备的部件的尺寸减小，这样又降低了生产成本。
特别有利的效果可以这样实现，即，按照权利要求2，吸入空气流在导入到多孔隙的固体壁之前借助于至少一个压缩机进行压缩。可选择地或者附加地，也可以按照权利要求3，规定：副气流在多孔隙固体壁的区域内借助于一负压装置被抽出。这种更高的压力级在此促进了吸入空气流中氮气分子的减少，其中，由于按照权利要求4在主气流侧和副气流侧设置的不同压力而形成了一个朝向副气流侧的压力降。
根据另一种尤其有利的按照权利要求5的实施方法，如果必要的话，可以使副气流在吸入空气流被导入到固体壁区域之前至少部分地再次被导入吸入空气流中去。
根据一种同样尤其有利的按照权利要求6的实施方法，在氮气减少而氧气加浓的燃烧用空气流被导向至少一个燃烧室之前，将一个在燃烧室之后引出的废气流的部分废气流导入到所述燃烧用空气流中。通过这样一种有益的循环系统，能够有效地减少废气流量，因此例如转化器，如三元催化转化器、氧化催化转化器和颗粒过滤器能够采用较小的尺寸，这样，废气装置整体上可以具有更小的尺寸。因此也能够节省成本。另外，也能以简单的方式利用具有特别高的热值的而且还不含有氮气或氮氧化物的燃气以简单的方式例如与一调节装置相结合对所希望的燃烧用空气组成进行调节。因此例如可以按照权利要求7那样设置，在内燃机的正常工况下将一定的部分废气流量导入到氮气减少的燃烧用空气流中，使得主气流中的氧气含量，也就是说氮气减少的燃烧用空气流中的氧气含量大致相当于从环境空气中吸进的吸入空气流中的氧气含量，其中氧气含量优选为21％。对此也可选择按照权利要求8来设置，在内燃机启动工况下即例如在冷启动时将一定的部分废气流量导入到氮气减少的燃烧用空气流中，使得主气流即氮气减少的燃烧用空气流中的氧气含量比从环境中吸进的吸入空气流中的氧气含量要大。因此优选这里氧气含量在例如21％和40％之间的范围内。通过这样的氧气加浓，发动机的效率在混合气燃烧时能够在短时间内提高，在这种情况下却不会存在这样的危险，即，传统的内燃机不能承受可能产生的较高的燃烧温度。原则上在这种情况下发动机的一种相对应的尺寸确定和设计也是可能的，使得内燃机例如也能持久地在一提高的氧气含量下运行。
尤其有利的是按照权利要求9的实施方法，其中，导入到吸入空气流中的部分废气流的量根据燃烧用空气中一个预先设定的作为额定值的氧气含量借助于一个调节装置来调节。该调节装置可以间接或者直接地计算出和/或检测出吸入空气流中实际的氧气含量作为实际值。这种调节能够特别简单和迅速地对可能较小的空气密度进行补偿，例如在山区或者在外界温度升高时。
根据权利要求10的另一种有利的实施方法，导入到吸入空气流中的部分废气流此外还这样被确定，使得在至少一个燃烧室中燃烧用空气流每次循环具有大致恒定的气量用于与一燃料混合。由此确保每次大致恒定的气量被吸入到燃烧室中用于连续的燃烧。
所述目的关于装置通过权利要求11的特征来实现，其中上述与方法有关的所述优点也适用于该装置，因此在这里不再进一步探讨。
下面借助一附图更详细地解释本发明。
唯一的附图示意地表示了一种按照本发明的实施方法，具有从环境中吸进的吸入空气流1，其在一压缩机2中被压缩，并且接着以与大气环境压力相比增大了的压力p1在吸入空气流动路径3的进一步走向上在一减小装置4的多孔隙的固体壁5旁边流过或者沿着它流过。多孔隙固体壁5具有这样孔隙大小的细孔6，使得沿着多孔隙的固体壁5流过的吸入空气流的氮气及氧气分子中，离开吸入空气流穿过多孔隙的固体壁5的氮气分子数量比氧气分子数量多。因此，一方面在主流动路径的走向上形成可输送给内燃机7的氮气减少而氧气加浓的作为主气流8的燃烧用空气流，以及形成氮气加浓而氧气减少的副气流9，副气流不被输送给内燃机7。在副气流9一侧存在压力级p2，其小于通过压缩机2预先给出的在作为主气流方向的吸入空气流动路径3区域内的较大的压力级p1。
正如在唯一的附图中用虚线表示的那样，副气流9必要时还可以在循环中再输送给压缩机2。
离开减小装置4的氮气减少而氧气加浓的主气流8作为燃烧用空气流紧接着被导入内燃机7的一个燃烧室中。与这里一仅仅示意表示的调节装置12相结合，可将从废气流10中脱离的部分废气流11通过部分的废气再循环导入到主气流8中，如在唯一的附图中进一步仅仅特别简化地示出的那样，以便例如在内燃机7的正常工况中始终将这样的部分废气流量输送给作为主气流8的氮气减少的燃烧用空气流，使得主气流8中的氧气含量大体相当于从环境空气中吸进的吸入空气流的氧气的含量，即氧气的含量在这里大体为21％。混合过程在这里可以例如在一混合装置13中进行。
或者，也可以在启动工况时，即例如在内燃机7的冷启动阶段，将这样的部分废气流量输送给主气流8，使得主气流8中的氧气含量比从环境空气中吸进的吸入空气流的氧气含量大，即超过21％。导入到主气流8中的部分废气流11的量根据主气流8中一预先给出的作为额定值的氧气含量通过调节装置12进行调节，调节装置例如借助于一个这里未示出的传统的氧传感器直接或者间接地计算出和/或检测出主气流8中实际的氧气含量作为实际值。
Claims (11)
1.一种运行车辆特别是汽车的内燃机的方法，其中，在将从环境空气吸进的吸入空气流送往至少一个内燃机燃烧室之前，使吸入空气流中的氮气含量降低，以产生一种氮气减少了的燃烧用空气流，其氧气含量高于所吸进的吸入空气流的氧气含量，其特征在于，吸入空气流(1)沿着吸入空气流动路径(3)的至少一个部分区域在至少一个多孔隙的固体壁(5)旁边流过和/或沿着它流动，其孔隙大小这样设计，使得吸入空气的沿着多孔隙的固体壁(5)流过的氧气及氮气分子中，穿过多孔隙的固体壁(5)的氮气分子数量比氧气分子数量多，以形成可以输送给所述至少一个燃烧室(7)的作为主气流(8)的氮气减少而氧气加浓的燃烧用空气流以及至少一个氮气加浓而氧气减少的副气流(9)，副气流不输送给所述至少一个燃烧室(7)。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，吸入空气流(1)在被送往多孔隙的固体壁(5)之前借助于至少一个压缩机(2)进行压缩。
3.按照权利要求1或2的方法，其特征在于，副气流在多孔隙的固体壁的区域内通过一个负压装置被抽出。
4.按照权利要求2或3的方法，其特征在于，主气流侧的压力(p1)比副气流侧的压力(p2)大。
5.按照权利要求1至4之一的方法，其特征在于，在吸入空气流(1)被导入到固体壁区域之前，至少部分地将副气流(9)再次输送给吸入空气流(1)。
6.按照权利要求1至5之一的方法，其特征在于，在氮气减少而氧气加浓的燃烧用空气流(8)被送往至少一个燃烧室(7)之前，将一个在燃烧室后面引出的废气流(10)的部分废气流(11)输送给所述燃烧用空气流。
7.按照权利要求6的方法，其特征在于，在内燃机的正常工况下，将一定的部分废气流量输送给作为主气流(8)的氮气减少的燃烧用空气流，使得主气流(8)的氧气含量大致对应于从环境空气中吸进的吸入空气流(1)的氧气含量，优选氧气的含量大致为21％。
8.按照权利要求6或7的方法，其特征在于，在内燃机(7)的启动工况下，将一定的部分废气流量输送给作为主气流(8)的氮气减少的燃烧用空气流中，使得主气流(8)中的氧气含量比从环境空气中吸进的吸入空气流(1)的氧气含量大，优选在21％到40％之间。
9.按照权利要求1到8之一的方法，其特征在于，输送给主气流(8)的部分废气流(11)的量根据主气流(8)中一个预先设定的作为额定值的氧气含量借助于一个调节装置(12)进行调节，它间接或者直接计算出和/或检测出主气流(8)中的实际的氧气含量作为实际值。
10.按照权利要求9的方法，其特征在于，输送给吸入空气流(1)的部分废气流(11)此外还这样进行确定，使得在至少一个燃烧室(7)中作为主气流(8)的燃烧用空气流每次循环具有大致恒定的气量用于与一燃料混合。
11.一种用于实施特别是按照权利要求1到10之一的运行车辆内燃机的方法的装置，它具有一个用于贫化一从环境中吸进的吸入空气流中的氮气的减少装置，以产生一种氮气减少了的燃烧用空气流，其氧气含量比吸入空气流中的氧气含量高，其特征在于，所述减少装置(4)由至少一个沿着吸入空气流(1)的流动路径(3)的至少一个部分区域延伸的多孔隙的固体壁(5)构成，并且，所述多孔隙的固体壁(5)具有这样的孔隙大小，使得吸入空气的沿着多孔隙的固体壁(5)流过的氮气及氧气分子中，离开吸入空气流(1)穿过多孔隙的固体壁(5)的氮气分子数量比氧气分子数量多，从而可使一氮气减少而氧气加浓的燃烧用空气流被输送给至少一个燃烧室(7)。
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