JP2002528670A - 内燃機関の燃焼空気内の酸素を濃厚化する装置 - Google Patents

内燃機関の燃焼空気内の酸素を濃厚化する装置

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JP2002528670A
JP2002528670A JP2000578553A JP2000578553A JP2002528670A JP 2002528670 A JP2002528670 A JP 2002528670A JP 2000578553 A JP2000578553 A JP 2000578553A JP 2000578553 A JP2000578553 A JP 2000578553A JP 2002528670 A JP2002528670 A JP 2002528670A
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プレッチャハー、アレキサンダー
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プレッチャハー、クリスティン
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Abstract

(57)【要約】 内燃機関の燃焼空気内の酸素を濃厚化する装置は、排気管（４）内の排ガスタービン（２）によって駆動されるガス遠心分離機（１）を持っている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガス遠心分離機によって内燃機関の燃焼空気内の酸素を濃厚化する
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
空気内の酸素含有量を増加させることにより、燃焼速度の増加と、それによる
パワーの増加と、あるいは燃料消費の減少とが可能になるので、酸素濃厚化燃焼
空気で内燃機関を動作させるための努力が、しばらく続けられている。
【０００３】 こうして、膜を通すガス拡散によって空気内の酸素を濃厚化することは、「Ｄ
Ｅ １９５ ４３ ８８４ Ｃ２」から知られている。酸素は、低いエンジン速
度の時にだけこのような膜で十分に濃厚化できるので、この公知の装置は、高速
用には圧縮された酸素濃厚化空気を供給する圧力タンクを持っている。したがっ
てこの公知の装置は、相当な装備費を必要とする。
【０００４】 「ＤＥ １９５ ４５ ３９７ Ａ１」もまた、請求項１の前提部分に記載の
装置を開示している。これは、酸素含有量を好ましくは９９％にまで濃厚化でき
る多段式電気駆動のガス遠心分離機を提案している。しかしながらこの文献は、
このような酸素濃厚化を経済的に達成する方法を示唆していない。
【０００５】 飛行機では、酸素含有量２１体積％対窒素７８体積％の空気とは異なる３３％
の酸素含有量を有する窒素酸化物で燃焼空気を置き換えることによって一時的に
パワーを増加させることが知られている。しかしながら従来の自動車両では、窒
素酸化物は補給上の理由だけでなく価格と装備費の増加のために空気に取って代
わることはできない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】 したがって本発明の課題は、経済的に装備費を増加させることなく速度に無関
係に、内燃機関のために十分に高い酸素濃度を有する燃焼空気を提供することで
ある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
これは、本発明にしたがって請求項１で特徴付けられた装置によって得られる
。従属クレームは、本発明装置の有利な発展形態を示している。
【０００８】
【発明の作用効果】
本発明によれば燃焼空気内の酸素を濃厚化するためのガス遠心分離機は、排ガ
スタービンによって駆動される。そうでなければ失われてしまう排気ガスの運動
エネルギーは、このようにしてガス遠心分離機を駆動するために利用される。本
発明装置は、こうして経済的な運転を可能にする。
【０００９】 燃焼空気の酸素含有量を濃厚化するガス遠心分離機の速度と、充填効率の増加
、すなわちシリンダ内に流入する酸素濃厚化空気量の増加とは、このようにして
排ガス媒体を介してエンジン速度とリンクしている。これは、エンジン速度の上
昇したがって、また排ガスの流量の上昇にしたがって、ガス遠心分離機の回転子
速度が、したがって酸素濃厚化燃焼空気のシリンダへの充填効率が上昇する。
【００１０】 ２４００００ｒｐｍの高い連続回転速度を有する排ガスタービンがターボ給気
用に利用可能であることは、本発明装置の実現のために好ましいことである。
【００１１】 しかしながら例えば毎分８００００回転のガス遠心分離機速度は、例えば窒素
酸化物に対応する３３体積％以上の酸素含有量によって燃焼空気の酸素濃厚化を
達成するためには既に十分である。
【００１２】 これは、シリンダ内で燃焼空気が軸方向に流れる回転子を有するガス遠心分離
機に基づく下記の計算によって説明されるであろう。
【００１３】 大気圧において、すなわち遠心力が粒子に作用していない回転子軸上において
ガスの粒子数密度ｎ０、すなわち単位体積当たりの粒子の数は、 ｎ0＝ρ0／ｍ （１） であり、ここでρは大気圧におけるガスの密度、ｍはガスの１分子の質量である
。
【００１４】 「ρ0＝１．２５０５．ｋｇ．ｍ-3」と「ｍ＝４．６５１７５０６７．１０-26 ．ｋ」とを有する窒素（Ｎ2）に関して、結果として得られる回転子軸上の粒子
数密度ｎ0（Ｎ2）は、かくして ｎ0（Ｎ2）＝１．２５０５.ｋｇ.ｍ‐3／４．６５１７５０９７.１０‐26.ｋ
ｇ ＝２．６８８２３５０５１．１０25ｍ-3 ＝１．０００５９６５６５．ＮL となるが、ここでＮLは「ＮL＝２．６８６６３．２０25．ｍ-3」を有するロシュ
ミット数である。「ρ0＝１．４２９ｋｇ．ｍ3」と「ｍ＝５．３１３６２９０１
．１０-26．ｋｇ」とを有する酸素（Ｏ2）に関して、結果として得られる回転子
軸上の粒子数密度は、かくして ｎ0（Ｏ2）＝１．０００９９６９８２．ＮL となる。
【００１５】 回転子軸から半径ｒを増加させるにつれて、結果として得られる窒素の粒子数
密度ｎ（Ｎ2）は ｎ0（N2）＝１．０００５９６５６５．ＮL．ｅｘｐ｛（６．７６５６３３９．１
０-8．ｋ．（Ｎ2））．〔ｎ2〕2．ｒ2．ｍ-2｝ となるが一方、酸素の粒子数密度は ｎ0（Ｏ2）＝１．０００９９６９８２．ＮＬ．ｅｘｐ｛（７．７２５５６９８．
１０-8ｋ（Ｏ2））．〔ｎ2〕2．ｒ2．ｍ-2｝ となる。ここで中括弧内の指数項はマックスウェル・ボルツマン分布法則から得
られるものである。
【００１６】 ガス遠心分離機の回転子軸から半径方向に離れるにしたがって、空気内の窒素
と酸素に関して、図１のグラフに示す粒子数密度が得られる。このグラフの酸素
（Ｏ2）と窒素（Ｎ2）とに関する発散するカーブは、毎分８００００回転の回転
子速度において、回転子軸からの距離が離れるにつれて酸素分子と窒素分子とが
連続的に相対的に離れていくことを明らかにしている。すなわちこの回転子速度
と、ガス遠心分離機の回転子の、あるいはシリンダ内部の７．５センチメートル
の半径とにおいて、空気内の酸素の粒子数密度は、回転子軸上の約０．５．１０ 25 ｍ-3から約２．７．１０25ｍ-3に、すなわち５倍以上に増加するが、窒素に関
しては約２．０．１０25ｍ-3から約８．７．１０25ｍ-3に、すなわち単に４．４
倍に増加するだけである。すなわち毎分８００００回転の速度と７．５センチメ
ートルのシリンダ内部半径とにおいて、シリンダ内壁上の酸素含有量は、ガス遠
心分離機に供給される空気内で約４０体積％対２０体積％である。
【００１７】 こうして本発明装置によれば、窒素酸化物を供給することによって発生するエ
ンジンのパワー増加に対応するパワー増加を容易に得ることができる。
【００１８】 通常の燃焼空気で運転されるエンジンでは完全燃焼のための十分な時間がない
ために、より高速度では不完全燃焼の炭化水素の割合が上昇するが、本発明装置
は、その燃焼空気内の濃厚化された酸素含有量によって、より高速度でも完全燃
焼が行われ、それによって汚染物質含有量、特にＣO含有量と、すす粒子の含有
量と、類似の酸化されていない、あるいはごく一部酸化された炭素化合物とが明
らかに減少することを保証している。
【００１９】 ガス遠心分離機の回転子の速度をさらに上げることおよび／またはガス遠心分
離機のシリンダ内部半径を更に増加させることによって更に酸素を濃厚にするこ
とが可能であるから、排ガス内の窒素酸化物の含有量を従来のエンジンよりも極
めて大きく削減でき、特に前駆物質として窒素酸化物を発生させるオゾンの形成
も削減できるということは明らかである。
【００２０】
【実施例】
下記の例は、添付の図と共に本発明を更に説明するために役立つであろう。
【００２１】 図２、３によれば，内燃機関（図示せず）の燃焼空気内の酸素を濃厚化する装
置は、排ガスタービン２によって駆動されるガス遠心分離機１を持っている。排
ガスタービン２のタービン羽根車３は、この目的のために内燃機関の排気管４内
に配置され、矢印５によって示される内燃機関の燃焼排気ガスによって駆動され
る。
【００２２】 ガス遠心分離機１のハウジング６は、ガス遠心分離器１の長手方向軸が排気管
４の長手方向軸に垂直に配置されるような仕方で排気管４にフランジ付けされて
いる。
【００２３】 矢印１１によって示され、中心の入口開口部１０を通して一方の端面壁上の内
部８に流入する燃焼ガスが軸方向に流れる回転子９は、ガス遠心分離器１のシリ
ンダ内部８に旋回可能に取り付けられる。
【００２４】 このようにして回転子９の回転軸７も同様に、排気管４の長さ方向軸に垂直に
なる。同時にこれは、排ガスがタービン羽根車３の半径方向に流れる排ガスター
ビン２の回転軸１３に対して同軸的に延びる。ラジアル・ベアリング１４、１５
とスラスト・ベアリング１６は、回転子９を取り付けるために両側に設けられて
いる。
【００２５】 回転子９は、例えば単に許容誤差を受け入れるだけのギャップが内壁１８に生
じるようなところまで回転軸７からシリンダ内部に延びる３枚の羽根１７を持っ
ている。これは、羽根１７と燃焼ガスが流れる内壁１８との間にチャンバ１９を
形成する。チャンバ１９内の空気は、矢印２１によって示される遠心力がチャン
バ１９内の空気の分子に作用するように回転子９の回転速度にしたがって循環し
、その結果、燃焼空気１１内の酸素は、回転軸７からの距離にしたがって、すな
わち図１のグラフに関連して前に説明したようにシリンダ壁１８の領域でますま
す濃厚化される。
【００２６】 遠心力の作用の十分な時間を確保するために羽根１７はこうして、軸方向に大
きな長さを持っている。これらの羽根の軸方向長さは、シリンダ内部８の半径よ
り大きいこと、特に回転子半径の２倍より大きいことが好ましい。
【００２７】 内部８は、必ずしも形状が円筒形である必要はなく、他の回転対称形、例えば
多少強い円錐形であってもよい。それから羽根１７の軸方向長さは、少なくとも
回転子９の最大半径よりも大きくすべきである。
【００２８】 ガス遠心分離機の出口側軸方向端部のシリンダ内部壁８上には、「Ｏ2」で示
した酸素濃厚化燃焼空気が入るための環状受入れチャネルが配置されている。受
入れチャネル２２を形成するために同心円状の仕切り２４が、ハウジング６の関
連端面壁２３に固定されている。図１で「Ｎ2」で示される低濃度酸素すなわち
高濃度窒素の空気は、受入れチャネル２２と回転子軸７との間の端面壁２３に設
けられた出口開口部２５を通して大気中に放出される。出口開口部２５を有する
更に窒素濃度の高い半径方向内側の領域から受入れチャネルを密閉するために、
羽根１７は、仕切り２４が中に突き出しているスロット２６を持っている。
【００２９】 酸素濃厚化燃焼空気Ｏ2は、シリンダ壁１８のポート（通気口）２９を通して
環状チャネル２７に入り、環状チャネル２７に接続されたパイプ２８を通ってエ
ンジンに流入する。
【００３０】 ガス遠心分離機１を通る空気の流量を、したがってエンジンのシリンダに入る
酸素濃厚化空気量を増加させるために、回転子羽根１７は、図３に示すように回
転子軸７に対して僅かに傾斜して配置されている。その代替として回転子羽根１
７は軸に平行な形状としながら、回転子の回転軸７上に追加のプロペラを設ける
こともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス遠心分離機の所定の回転子速度における空気の酸素濃厚化を半
径にしたがってプロットしたグラフを示す。
【図２】本発明装置の一実施例の縦断面を概略的に示す。
【図３】図２の線ＩＩＩ−ＩＩＩに沿ったガス遠心分離機の断面を示す。
【手続補正書】特許協力条約第１９条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年４月２７日（２０００．４．２７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガス遠心分離機を有する内燃機関の燃焼空気内の酸素を濃厚
    化する装置であって、前記ガス遠心分離機（１）は燃焼排ガス（５）によって排
    ガスタービン（２）によって駆動されることを特徴とする前記装置。
  2. 【請求項２】 前記ガス遠心分離機（１）のハウジング（６）は排気管（４
    ）にフランジ付けされていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
  3. 【請求項３】 遠心力を空気の分子に与えるために燃焼ガス（１１）が軸方
    向に流れる回転子（６）が、前記ガス遠心分離機（１）の内部（８）に設けられ
    ていることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記ガス遠心分離機（１）の回転子羽根（１７）と内壁（１
    ８）とは、燃焼空気（１２）が中を流れるチャンバ（１９）を形成することを特
    徴とする、請求項３に記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記回転子羽根（１７）は、前記ガス遠心分離機（１）を通
    る空気の流量を増加させるために前記回転子の回転軸（７）に対して少なくとも
    部分的に傾斜して配置されていることを特徴とする、請求項４に記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記ガス遠心分離機（１）の出口側軸方向端部には、酸素濃
    厚化燃焼空気（Ｏ2）が入るための環状受入れチャネル（２２）が設けられてい
    ることを特徴とする、請求項３〜５に記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記受入れチャネル（２２）は、同心円状の仕切り（２４）
    によって形成されていることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
  8. 【請求項８】 前記仕切り（２４）は、前記回転子羽根（１７）に設けられ
    たスロット（２６）内に突き出ていることを特徴とする、請求項７に記載の装置
    。
  9. 【請求項９】 酸素低濃度化空気（Ｎ2）は、前記受入れチャネル（２２）
    と前記回転子の回転軸（７）との間のガス遠心分離機ハウジング（６）の出口開
    口部（２５）を通って大気中に放出されることを特徴とする、請求項６〜８のい
    ずれかに記載の装置。
JP2000578553A 1998-10-28 1999-10-26 内燃機関の燃焼空気内の酸素を濃厚化する装置 Pending JP2002528670A (ja)

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