空気遠心装置

本発明は、酸素分子と窒素分子とを分離することが可能な空気遠心装置に関する。本発明は内燃機関の分野においての適用に有利であり、より具体的には、そのような機関が搭載された車両分野においての適用に有利である。

一般に、内燃機関には、空気フィルターと、機関の燃焼室内部に入る空気を圧縮するために、1つ以上の空気圧縮機またはターボチャージャーとして、おそらく種々の装置とを備える空気吸入口システムが装備されている。

新鮮な空気は一般的に、燃焼室に入る主な酸化剤を構成しており、常温および平常圧縮状態では、水蒸気と、体積比で約78.1%の窒素および20.9%の酸素のほかに、アルゴンおよび二酸化炭素など、約1%のその他のガスを含む乾燥抽出物との混合物から成る。上記の比率は、質量に換算すると、窒素が75.5%および酸素が23.1%である。

この内燃機関用の機関制御システムは、通常、天候状況または標高により様々に変わりうるこの比率に従って設計される。機関制御システムは通常、燃焼効率を最適化し、汚染物質の排出、特に炭素および窒素の酸化物の排出を最小限に抑えるように設計される。このような機関制御システムの不利な点は、吸気中に見られる構成物が容易に調整できない点にあり、これは基本的には酸素の比率である。したがって、熱力学の効率性および汚染物質排出の最適化、例えば後処理によるもの、の監視が容易ではない。

本発明は、この問題を部分的に解消する解決策を提供するが、これは1.429kg/m³の酸素濃度、および1.251kg/m³の窒素濃度の相違を利用する超高速遠心装置手段により、この2種の気体を分離して、燃焼室内へ入る酸素および窒素の比率の修正方法を説明することによって提供する。このように、ハイパー遠心分離によって、酸素分子と窒素分子とを分離することが可能で、その後収集して内燃機関の空気吸入口システムに接続されたパイプを通して移転させることが可能である。このパイプは、監視され得る弁と関連している可能性があり、こうして空気吸入口システム内に入る酸素の比率を調節することが可能となる。この原理説明のためおよび純粋な例として、ブレードが設計されたホイールを備え、この回転速度が亜音速領域に留まることが可能な装置について考慮する。標準大気圧下20℃の酸素中の音速は317m/sである。窒素に関しては、同じ状況下において、この速度は334.5m/sである。したがって、ブレード端の速度300m/sを考慮した場合、運転状況の圧力および温度を考慮し、全ての場合において超音速領域より下に留まる。仮説として、外周100mm、すなわち半径rが約16mmのホイールを取り上げる。周辺速度V=300m/sに達するために、ホイールの回転速度は毎秒3000回転とし、これは毎分180000回転と同等であり、これは、例えばターボチャージャーと同程度である。ホイールの外周(V²/r)付近で感知される遠心分離加速度は約5.65×10E6m/s²となり、これは地球上の重力加速度(9.81m/s²)の576000倍以上であり、遠心力は、高速回転の作用を受けた空気質量内の分子撹拌から得られた力に抗する。このように、上記の状況で、標準大気圧下で得た体積1cm³の酸素、すなわち対応する質量1.429mgの遠心分離は8.08Nの遠心力を生じさせるが、一方同じ状況下で得た体積1cm³の窒素、すなわち対応する質量1.251mgに関しては、遠心力が7.07Nに過ぎないと容易に推測できる。この差は遠心装置の外周付近の2つのガス間に圧力差を生じさせ、これが「重い」酸素と「軽い」窒素との間で分離現象を生じさせる。酸素は遠心装置の外周付近で排出され、わずかに圧縮された状態にされるが、これが以下に説明する種々のシステムの手段による酸素の収集を可能にする。

本発明は、内燃機関に関連する空気遠心装置を提案し、この遠心装置は、軸上に取り付けられたホイールを収容する枠に挿入されたホイールを備え、この枠は、円形であることが好ましく、当該系全体は、少なくとも1つの吸気口および少なくとも2つの異なる排気口を備え、これらの排気口は、一方では酸素分子を、他方では窒素分子を分別して収集するように設計されており、同時に少なくとも1つの連結パイプが、酸素排気口および内燃機関の空気吸入口システムの間に配置され、この連結パイプは、内燃機関の空気吸入口システムに入る酸素量を正しくバランスさせるよう監視される弁を備え得る。本発明によれば、通常これが換気エリア内で行われる場合には、環境を汚染することなく窒素が単に外部へ排出される。逆に、窒素が燃焼またはその他の用途に有益であると判断された場合、窒素を分離して用途に適した一連のパイプおよび弁に流すことが可能である。

本発明によれば、空気遠心装置は、空気吸入口システム内に配置され得る空気圧縮機またはターボチャージャーの上流または下流のいずれかに設けることができる。

本発明によれば、上記に述べたホイールは、当業技術により設計されたブレードを備えており、遠心分離現象を発生させるために、回転運動によってガスを加速させることを目的としている。ホイールの軸は、本目的に適応したモーター手段および変速装置手段によって、非常に高回転速度で駆動されるが、あるいは、更に有益には、周知のターボチャージャーの原理を用いて、タービンを使用し内燃機関の排気ガスのエンタルピーを収集することによって駆動される。この解決策は、遠心力を使用する気体の分離に留まっており、吸気口は有利に空気遠心装置の枠の中央付近に配置されるのに対し、2つの異なる排気口はこの枠上に配置されるが、ホイールの中央およびこのホイールの外周の間の中間位置に窒素排気用として、ホイールの外周に近い位置に酸素排気用としてそれぞれ配置される。本発明によれば、枠の形状、ホイールの外周付近に位置する部分に関しては、酸素の収集を容易にするために適合され、この目的のために、より幅の広い断面を備えることができ、適切な厚みのひも状にガスを発生させて最適な酸素濃度を得ることができる。

本発明に関する空気遠心装置の変形例は、ホイール外周付近の枠上に位置する複数の小さな開口手段での酸素収集によって規定される。この構成は、制限エリアに配置される単一の排気口より優れた透過性を有するより大きな表面を設け、さらに第1の枠を覆う第2の枠が、抽出された酸素の収集およびその酸素を内燃機関の空気吸入口システムに向かって流すことを可能にすることにより、酸素収集の最適化を可能にする。

本発明に関する空気遠心装置の枠の変形例は、枠の外周上の多孔エリアを設けることによって規定される。この多孔エリアは一例として、半透過性膜によって構成されており、それ酸素分子が通過することを許容するが、この酸素分子は窒素分子よりも小さく、分子直径0.292mmである。一方この膜は、直径0.315mmの大きな窒素分子を阻止する。この解決策は、酸素分子と窒素分子との分離を支援する。

本発明の変形例は、遠心分離前の空気の分子撹拌を何とか軽減し、遠心力効果を高めて、酸素と窒素とを分離するために、空気遠心装置の上流の空気冷却装置を追加することによって規定される。この空気冷却装置は、本明細書で説明されないが、ターボチャージャーからの圧縮された空気の温度を下げるために提供される良く知られた当業技術の冷却システムと類似とすることができる。

本発明の変形例は、ブレード端にある酸素分子を収集するために、ターボチャージャーの外周上に位置する開口を追加する時に、ターボチャージャーの枠を変更することによって規定される。ターボチャージャーの枠上に配置された開口であって、圧縮機のホイールの軸および枠の外周の間の中間位置に配置されているが、これは過剰な窒素を放出する。この解決策は、圧縮機機能および遠心分離による、酸素の窒素からの分離を単一の装置内に組み合わせることを可能とする。

本発明のその他の目的および利点は、以下の説明で明らかになるであろうが、これは被包括的な例として、本発明により提案される装置の実施形態を概略的に説明する添付の略図を参照することにより容易に理解されよう。

空気遠心装置(1)の概略図である、側面図

空気遠心装置(1)の概略図である、上面図

空気遠心装置(1)の枠(13)の可能な変形例の概略図である

酸素の収集を最適化するために、複数の開口を枠の外周上に追加することによって得られる枠(13)の変形例の概略図である

酸素および窒素間の分離を最適化するために、多孔エリア(132)を枠の外周上に追加することによって得られる枠(13)の変形例の概略図である

空気遠心装置(1)の上流に配置される空気冷却装置(4)を追加することによって得られる、本発明の変形例の概略図である

酸素および窒素間の分離を得るために、ターボチャージャー(5)を変更することによって得られる、本発明の変形例の概略図である

本発明は、内燃機関(2)に関連する空気遠心装置(1)(図1および図2)を提案する。内燃機関(2)は、空気取入口(22)によって空気が供給され、排気口(23)によって内燃ガスが排出される少なくとも1つのシリンダー(21)を備え、空気遠心装置(1)は、軸(12)上に取り付けられたホイール(11)を収容する枠(13)に挿入されたホイール(11)を備え、枠(13)は、好ましくは円形であり、当該系全体は、少なくとも1つの吸気口(14)および少なくとも2つの異なる排気口(15),(16)を備え、一方では排気口(15)から酸素分子を、他方では排気口(16)から窒素分子をそれぞれ分別して収集するよう配置されており、少なくとも1つの連結パイプ(3)が、酸素排気口(15)および内燃機関の空気吸入口システム(24)の間に配置され、この連結パイプ(3)は、空気吸入口システムに入る酸素量を正しくバランスさせるよう監視される弁を備え得る。本発明によれば、空気遠心装置(1)は、空気吸入口システム(24)内に配置され得る空気圧縮機またはターボチャージャーの上流または下流のいずれかに設けることができる。

本発明によれば、ホイール(11)は、当業技術により設計されたブレードを備えており、遠心分離現象を発生させるために、回転運動によってガスを加速させることを目的としている。例(図2)として本明細書で提案される実施形態は、ホイール(11)の軸(12)が、内燃機関(2)の排気システム(25)のいくつかの要素に沿って配置されるタービン手段(18)によって非常に高回転速度で駆動されるが、これはターボチャージャーに使用される良く知られた原理による。空気遠心装置(1)の空気取入口は、空気遠心装置の枠(13)の中央付近に配置されるのに対し、酸素を収集する排気口(15)は、枠(13)上にホイール(11)の外周付近に配置され、窒素を排出する排気口(16)も枠(13)上に配置されるが、ホイール(11)の軸およびホイール(11)の外周の間の中間位置に配置される。

本発明によれば、枠の形状、ホイールの外周付近に位置する部分に関しては、酸素の収集を容易にするために適合され、この目的のために、より幅の広い断面(131)、(図3)、を備えることができ、適切な厚みのひも状にガスを発生させて最適な酸素濃度を得ることができる。

本発明に関する空気遠心装置(1)の変形例は、ホイール(11)、(図4)、の外周付近の枠(13)上に位置する複数の小さな開口手段での酸素収集によって規定される。この場合、第1の枠(13)を覆う第2の枠(17)は、抽出された酸素の収集およびその酸素を内燃機関(2)の空気吸入口システム(24)に向かって流すことを可能にする。

本発明に関する空気遠心装置(1)の変形例は、ホイール(11)、(図5)の外周近くの枠(13)上に配置される、酸素分子に対して透過性のある多孔エリア(132)を通して酸素を収集することによって規定される。またこの場合、第1の枠(13)を覆う第2の枠(17)は、抽出された酸素の収集およびその酸素を内燃機関(2)の空気吸入口システム(24)に向かって流すことを可能にする。

本発明の変形例は、遠心分離前のガスの分子撹拌を何とか軽減するために、空気遠心装置(1)の上流の空気冷却装置(4)(図6)を追加することによって規定される。この空気冷却装置(4)は、本明細書で説明されないが、良く知られた当業技術の冷却システムと類似とすることができ、例えば、空気対空気中間冷却機、またはその他には空気対液体熱交換器で、ターボチャージャーからの圧縮された空気の温度を下げるために配置される。

本発明の変形例は、ターボチャージャー(5)の外周上に、このエリアの酸素分子を収集するために配置された1つ以上の開口(52)を追加することにより、ターボチャージャー(5)の枠(51)を変更することによって規定される。ターボチャージャー(5)の枠(51)上に配置された開口(53)は、ターボチャージャー(5)の軸および枠(51)の外周の間の中間位置に配置されており、窒素の放出を可能とする。この解決策は、圧縮機機能および遠心分離による、酸素の窒素からの分離を単一の装置内に組み合わせることを可能とする。