專利名稱：車用燃燒發(fā)動機和運行一種車用燃燒發(fā)動機的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種按照權利要求1的前序部分所述的汽車的車用燃燒發(fā)動機和運行一種這樣的發(fā)動機的方法。
上述種類的車用燃燒發(fā)動機和運行車用燃燒發(fā)動機的方法已久為人所知。在空氣-燃料混合物進行燃燒期間的一個熱力循環(huán)過程中做出機械功。發(fā)動機有燃氣發(fā)動機、火花點燃式發(fā)動機和柴油發(fā)動機之區(qū)分。在燃燒發(fā)動機中，混合物或者在進入燃燒室之前形成，或者在燃燒室中形成的。本發(fā)明涉及所有類型的燃燒發(fā)動機。
公知的柴油發(fā)動機和火花點燃式發(fā)動機的缺陷是它們的效率較低。正因為此，故現(xiàn)在人們對發(fā)動機的效率和燃料消耗提出了更高的要求。但是不僅要在盡可能沒有明顯降低功率的條件下減少發(fā)動機的燃料消耗，而且要使排放到大氣中的廢氣中含有更少的有害物質(zhì)，例如NOx，HC，NMVOC和CO。由于法律上對排放限值的要求越來越嚴格，而且燃料稅也不斷上漲，因此人們特別致力于對現(xiàn)有燃燒發(fā)動機的效率的提高，其中旨在降低燃料消耗的措施也倍受人們的關注。
在文獻WO94/15698中已經(jīng)公開了一種通過分離出至少一部分氮氣而使燃燒空氣的富氧的吸附裝置。在該公開文獻中，此外還描述了該吸附裝置在燃燒發(fā)動機的燃燒過程中的應用。通過從燃燒空氣中亦即被供入的環(huán)境空氣中分離出至少一部分氮氣，可以減小具有富氧的燃燒空氣的容積流量。此時燃燒空氣中氧氣的含量可以提高到直至95％。對氮氣的分離還能夠使燃燒溫度提高，因為燃燒中釋放出的能量沒有用于加熱未參加燃燒的氮氣上。最后，在更高的溫度下產(chǎn)生完全的燃燒，從而實際上沒有碳黑形成并且其它的有害物質(zhì)如CO，HC，NMVOC，NOx和類似物的排放在采取了相應的有力措施后也被大大地減少。但是，由于燃燒空氣中的氧氣含量的提高，也使著火速率提高，使著火溫度下降，以及使混合物的著火范圍增大。由于改善了著火參數(shù)，就有可能使用其它的燃油或燃料，否則這些燃油或燃料由于它們的著火性能和燃燒性能不適合常規(guī)的燃燒方法而不為人們所關心。此外，公知的燃燒發(fā)動機的效率也自然得到提高，并且由于燃燒的改善和更加完全使得燃料消耗更低。
但是，至少就車用燃燒發(fā)動機而言，由文獻WO94/15698公開的技術還沒能進入實際應用。該公知裝置的主要問題在于不能將該裝置安置到客車中。除了該公知裝置需要相當大的空間外，它的重量也非常大。最后，所必需的部件，尤其是那里設置的專用閥裝置太專用化而因此非常昂貴。
本發(fā)明的任務是利用汽車領域和車用燃燒發(fā)動機領域中的吸附技術的優(yōu)點，尤其是提供一種本文開頭所述種類的車用燃燒發(fā)動機和一種運行一個這種發(fā)動機的方法，其中，吸附裝置結(jié)構簡單，安裝經(jīng)濟并且也適合于批量應用。
按照本發(fā)明，從上面引出和提出的任務是在一個本文開頭所述類型的燃燒發(fā)動機中主要通過權利要求1的特征部分中的特征解決的。按照本發(fā)明，已經(jīng)證實，只要稍微使燃燒空氣富氧，就足以實現(xiàn)在混合物燃燒時發(fā)動機效率的提高。在混合物幾乎為完全燃燒的情況下，被釋放的能量如此之大，以致于公知的燃燒發(fā)動機根本不能以這種方法工作，因為應用該技術的危險在于公知的燃燒發(fā)動機無法承受很高的燃燒溫度。相應地，為了能使用該公知技術，發(fā)動機就必須采用完全不同的結(jié)構尺寸。這也可能是文獻WO94/15698公開的技術至今還沒能進入實際應用的一個原因。
在完成本發(fā)明中人們認識到，使供入燃燒室的燃燒空氣富氧是有利的，但是當將該技術應用于公知的、至今為止在實際中使用的發(fā)動機上時，這種富氧也只是在一個非常確定的范圍內(nèi)實現(xiàn)。因此，按照本發(fā)明，只對供給燃燒的燃燒空氣中的一部分進行富氧。此時，優(yōu)選供給燃燒的燃燒空氣中的氧氣組分在21％至30％之間。即使在這種氧氣含量值時，也能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒的很大改善，同時提高了發(fā)動機的效率。
本發(fā)明相對于公知的吸附裝置的另一個優(yōu)點在于，本發(fā)明的吸附裝置與公知的吸附裝置相比可以設計得非常小，因為在本發(fā)明中供給燃燒的燃燒空氣中僅一部分經(jīng)吸附裝置引導。由于空氣量的減少，相應地也減小了設備的所必需的結(jié)構體積。最后，本發(fā)明不僅能在新的發(fā)動機上實現(xiàn)，而且對已公知的發(fā)動機進行改型應用也是完全可能的。
本發(fā)明的一個特別的附加優(yōu)點在于，可以不受未富氧的燃燒空氣的供入的限制，分開地供入富氧的燃燒空氣。這種結(jié)構似乎具有這樣的缺陷，即對于每個供給管道都需要對各個汽缸進行改動。但是，在新汽缸架的批量生產(chǎn)中，這幾乎不會增加任何成本。單獨供給產(chǎn)生的好處彌補了這個不足，而單獨供給產(chǎn)生的好處在于，可以以確定的方式將富氧的燃燒空氣和未富氧的燃燒空氣，即“正常的”燃燒空氣供到燃燒室中非常確定的位置處。亦即人們已經(jīng)證明，在燃料-空氣-混合物著火時，燃燒室中有一些區(qū)域中的燃燒是完全進行的，而另一些區(qū)域中燃料-空氣-混合物的燃燒是不完全的。例如在柴油發(fā)動機中，這種情況的結(jié)果是產(chǎn)生在實際中經(jīng)常觀察到“噴黑煙”現(xiàn)象。通過實現(xiàn)向燃燒室中單獨供入富氧的燃燒空氣和未富氧的燃燒空氣，可以將富氧的燃燒空氣供到通常發(fā)生不完全燃燒或者燃燒不充分的那些確定的位置處，由此實現(xiàn)最佳燃燒。那些只發(fā)生不完全燃燒的區(qū)域尤其是汽缸壁處以及由活塞和汽缸構成的燃燒室的端部邊緣或角部區(qū)域。富氧的空氣可以通過閥、單向閥或開孔材料實現(xiàn)供入。
最好采用一種沸石作為氮氣的吸附劑，其中還可以在吸附器的上游連接一個壓縮裝置，該壓縮裝置產(chǎn)生的壓力應該接近沸石的最佳設計點和/或與燃燒過程的技術要求相適應。原則上可以采用任何種類的壓縮機作為壓縮裝置。此外，該壓縮機例如可以與凸輪軸或曲軸或起動器連接起來。也可以直接采用一種渦輪增壓器或G型增壓器。此外也可以采用一種普通的活塞式壓縮機或一種螺旋式壓縮機作為壓縮機。再者，燃燒發(fā)動機中的一個活塞-氣缸單元也可以用做壓縮機。在這種情況下，例如對于一個公知的四缸發(fā)動機來說，三個氣缸用于燃燒，一個氣缸用于壓縮燃燒空氣。采用一種電子驅(qū)動裝置也是可能的。此外，實驗已經(jīng)證實，若吸附裝置以一個在3至5巴之間的過壓運行，則將在吸附期間達到最佳效率。
此外，在吸附器中，除了吸附劑外還設置一種干燥劑是有利的。由此可以減少燃燒空氣中水蒸汽的含量，這意味著最終導致更少的殘渣，而這反過來又使燃燒更完全或使效率提高。此外，就這方面而言，在將燃燒空氣供入吸附裝置之前對其進行加熱是有利的。這不僅減少了水蒸汽，而且也改善了對氮氣的吸附。對干燥劑和/或吸附劑進行加熱也是有利的。這可以采用電的方式和/或經(jīng)一個廢氣管或通過冷卻水循環(huán)系統(tǒng)進行實施。就這方面而言，最好不是僅僅對吸附器的外壁進行加熱，因為這樣，尤其是由于吸附和解吸的階段較短，故只導致在吸附和解吸(脫離吸附)期間只有各劑的外部區(qū)域受到加熱。優(yōu)選設置一些引入到吸附器內(nèi)部的傳熱元件，例如形式為加熱線圈或管狀熱交換器，從而實現(xiàn)大面積的傳熱，以實現(xiàn)均勻的熱量分布，同時不會使邊緣區(qū)域中的溫度過度升高。為了在此過程中防止干燥劑或吸附劑受到損壞，應使溫度不超過300℃。
就這方面而言，有利的是在吸附器中將至少一個傳感器設置在干燥劑和/或吸附劑中，以便監(jiān)測干燥劑或吸附劑的飽和度。此時可以由傳感器向解吸間隔傳輸一個相應的脈沖。因此，不僅N2的飽和，而且水含量都可以為吸附器的解吸或再生發(fā)出一個脈沖。
此外，最好在吸附器的上游和/或下游設置一個空氣平衡容器。設置在上游的平衡容器正好可以用于采用活塞式壓縮機作為壓縮機的情況，以避免脈動。因此該平衡容器用做阻尼裝置。設置在下游的平衡容器用做緩沖裝置，從而即使在吸附器不能提供足夠的氧氣的工況下，也始終能夠提供足夠組分的富氧的燃燒空氣。
就此而言，優(yōu)選上述壓縮機與平衡容器中的一個壓力開關共同作用，以便在平衡容器中達到某個一定的壓力后將壓縮機關掉或者空轉(zhuǎn)地繼續(xù)運轉(zhuǎn)。原則上也可以使吸附效率和發(fā)動機功率相匹配。在這種情況下，則將直接取決于燃燒或氧氣耗量的情況，而在前面所述的實施例中則與燃燒并由此也與氧氣耗量的情況無關。
此外，最好在關掉吸附裝置之后將設置在平衡容器上游和下游的閥關閉，以便保持各個平衡容器中的過壓。
由于一個吸附器不能總是在相同的吸附效率下工作，因此在吸附器上設置了一個排氮管，通過排氮管可以將吸附的氮釋放出去，同時降低壓力。打開排氮管則產(chǎn)生解吸并將氮釋放到環(huán)境中，從而吸附器可以隨后再次用于吸附。
為了保證吸附裝置在一個不變的吸附效率下連續(xù)工作，設置至少兩個并聯(lián)的吸附器。然后在這些吸附器之間可以進行定期切換。一個控制裝置用于這種切換，該控制裝置相應地控制設置在吸附器上游和下游的控制閥。此時優(yōu)選使一個吸附器在進行吸附時至少運行20秒鐘。在將一個吸附器切換到另一個吸附器之前，優(yōu)選其吸附期持續(xù)大約一分鐘。在這種情況下，如果吸附器都同時運行一個短的時間周期則是非常有利的，這樣將始終保證向平衡容器連續(xù)供給富氧的燃燒空氣，如果設置了一個這樣的平衡容器的話。
此外，如上面已經(jīng)說明的那樣，在至少兩個并聯(lián)的吸附器運行期間，在其中一個吸附器被切換到另一個吸附器之后，這一個吸附器就被打開，亦即過壓被釋放，從而吸附的氮氣被解吸。在這點上，尤其有利的是，該吸附器不是只打開一個短的時間，而是在另一個吸附器的整個吸附期期間內(nèi)都是打開的。雖然當這一個吸附器的壓力被釋放時使得大部分的氮氣立刻從吸附劑中解吸出來，但是解吸過程仍然在無壓狀態(tài)下繼續(xù)進行，因此隨后可以將另一個吸附器的整個吸附期都用于這一個吸附器的解吸過程。
此外也可以這樣設計，即在各個解吸期期間，通過相應的管道對吸附器進行掃氣。這種掃氣可以通過“正常的”的燃燒空氣，亦即從環(huán)境中吸入的、未富氧的空氣進行，但也可以通過來自平衡容器的富氧的燃燒空氣或者循環(huán)供入富氧的燃燒空氣進行。對吸附器進行反向掃氣，亦即在吸附期間沿著與流動方向相反的方向進行解吸掃氣，也是有利的。
優(yōu)選通過一個相應的裝置對本發(fā)明的吸附裝置進行控制。在一個簡單的結(jié)構方案中是通過一個三通閥和一些控制該三通閥的繼電器實現(xiàn)控制的。在前述構件中涉及的是通常的部件，因此保證了結(jié)構的簡單和成本低。此外，還能夠保證控制裝置具有非常簡單的結(jié)構，因為在相應的控制裝置結(jié)構中，各個閥只需相反地工作。在每種情況下都可以通過前述控制裝置以簡單的方式實現(xiàn)富氧的燃燒空氣的計量。
此外，優(yōu)選在吸附氮氣之后測量燃燒空氣的氧氣含量，并依據(jù)燃燒發(fā)動機的各種運行情況進行調(diào)節(jié)或控制。這也是通過控制裝置實現(xiàn)的。通過測量和接著進行的調(diào)節(jié)或控制，可以使燃燒與燃燒發(fā)動機的一定的運行情況相適應。
此外，為了使吸附裝置的結(jié)構緊湊，將吸附器和平衡容器都設計成圓筒形的或柱形的，并且在外部尺寸上是結(jié)構相同的。吸附器和平衡容器然后可以組裝成一個可共同操作的組件。但是尤其有利的是，吸附器和/或平衡容器可以具有所希望的任意形狀，也就是說，當保持一定的運行參數(shù)如流速、壓力和溫度時，調(diào)節(jié)到與現(xiàn)有的位置情況相適應。最后，整個裝置或者只是裝置的部件被放置到汽車中具有相應空間的地方。尤其有利的是發(fā)動機的空間，因為在這種情況下采用短的管道是可能的，并由此使流動損失更小。
吸附器和/或平衡器的外殼可以包括鋁或一種鋁合金。但也可以采用任何其它的材料。優(yōu)選例如一種層材料，它包括一種金屬，尤其是鋁或鋼與塑料或其它復合材料的結(jié)合。這種層材料的優(yōu)點在于，一方面它非常輕，另一方面由于它具有金屬層，因此也是防擴散的。
但是本發(fā)明也可以以不同于前面所述的方式應用于燃燒發(fā)動機，尤其是帶有渦輪增壓器的燃燒發(fā)動機中。公知許多帶有渦輪增壓器的燃燒發(fā)動機在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)具有所謂的增壓滯后。只有當渦輪增壓器達到一定的轉(zhuǎn)速之后，燃燒發(fā)動機的功率才會顯著增加。增壓滯后的影響將通過供入富氧的燃燒空氣得到補償。由此使得在低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)提高發(fā)動機扭矩。一旦增壓器開始起作用，則相應地減少供入的富氧的燃燒空氣?？梢哉J識到，為此設置一個控制裝置，以便對供入燃燒發(fā)動機的富氧的燃燒空氣的量進行控制，使得發(fā)動機的功率基本上恒定地增加。
如開頭所述的那樣，就本發(fā)明而言已經(jīng)證實，雖然相對于空氣中的氧氣含量提高燃燒空氣中的氧氣含量對于獲得開頭所述的效果和優(yōu)點是有利的，但是，如果空氣中存在的氮氣只有一小部分被氧氣取代，則有相當多的氮氣組分被留下，從而仍然會象以前一樣產(chǎn)生帶有不是少量的有害氣體如NOx的廢氣。
為了解決這個問題，本發(fā)明規(guī)定，在進行燃燒之前將一種不是氮氣的載體氣體加到富氧的燃燒空氣中。該載體氣體不參加燃燒，并且在燃燒之后仍然以原氣體存在于廢氣中。通過這種方式首先可以在很大程度上使燃燒空氣富氧，由此將空氣中存在的大部分氮氣分離出去。接著優(yōu)選用載體氣體稀釋在很大程度上富氧的燃燒空氣，并且一直稀釋到所要求的氧氣含量，以便實現(xiàn)一種被控制的、完全的、沒有有害氣體的燃燒。最后氮氣至少部分地由載體氣體取代。應該指出，此時稱之為“燃燒空氣”已經(jīng)不是完全正確的了，因為在為燃燒所供入的氣體中的氮氣已被載體氣體取代，所以該氣體已經(jīng)與“空氣”或通常的空氣成分不再是可比的。
作為載體氣體，優(yōu)選采用惰性氣體，尤其是氦氣。氦氣正好能提供各種好處，因為氦氣具有較高的導熱能力，這最終使廢氣具有相應較高的溫度，這種較高的溫度可以用于加熱目的或其它技術目的。此外，也可以將再循環(huán)的廢氣用做載體氣體，并且是在這些廢氣中無氧氣組分或只含有極少量的氧氣組分時，因為在本發(fā)明中，氧氣的控制是通過富氧的燃燒空氣進行的。原則上也可以采用其它的氣體或氣體混合物。此時的基本構思總是使載體氣體在燃燒期間不產(chǎn)生任何結(jié)合，亦即不參加燃燒，并且以原形呈現(xiàn)在廢氣中。從結(jié)構角度提出一種相應的控制裝置，該控制裝置依據(jù)使用者所要求的發(fā)動機功率對氧氣組分和/或載體氣體組分進行配量，從而得到與各種要求相對應的最佳燃燒數(shù)值。
為了不必連續(xù)補入載體氣體，該載體氣體是循環(huán)使用的。此時應該理解的是，為了使載體氣體從廢氣中再生出來，燃燒發(fā)動機的整個廢氣流被引導流過回收裝置。此時從結(jié)構角度提出一個相應的再生裝置或回收裝置。該裝置同樣可以按照吸附技術的原理工作，但原則上也可以采用一個膜裝置，用于回收載體氣體。
但是，由于最終都不會存在百分之百的循環(huán)過程，亦即始終有損失產(chǎn)生，因此必須在一個從外部供給的位置處設置一個補充供給載體氣體的接頭。通過該接頭始終可以將一個相應的載體氣體儲備箱重新充填，或者可以采用一個充有載體氣體的新的芯盒。
如果采用一個吸附裝置作為回收裝置，則該吸附裝置至少在結(jié)構設計上基本上可以與開頭所述的裝置相對應。但是，吸附器中的分離介質(zhì)是一種碳分子篩，并且尤其是基于一種活性碳的碳分子篩。對此，尤其有利的是設置一個廢氣冷卻器，以便防止廢氣的高溫損壞吸附劑。
此外，本發(fā)明將富氧的空氣用于汽車的基本構思也還可以用于另一個尤其有利的應用情況。在現(xiàn)代設計結(jié)構的汽車中，在空氣循環(huán)裝置接通時，可以使車廂中的空氣循環(huán)。這種被循環(huán)的空氣在冬天由汽車上的加熱裝置加熱，而在夏天則由空調(diào)裝置冷卻。其缺陷是，被循環(huán)的空氣中的氧氣會被使用者逐漸消耗掉。隨著行駛時間的增加，車廂中的空氣質(zhì)量就變得越來越差。一般對其補救的方式是只短時間接通空氣循環(huán)裝置和/或打開車窗。但是，這與加熱裝置產(chǎn)生和要求的加熱效果或空調(diào)裝置產(chǎn)生和要求的冷卻效果是起相反作用的。隨著用于發(fā)動機的能量的大大下降，用于加熱或冷卻車廂所需的能量也越來越少。
本發(fā)明提供的補救措施在于，在空氣循環(huán)裝置接通時，將氧氣尤其通過一個吸附裝置特定地供入車廂。此時，測量空氣循環(huán)裝置接通期間車廂中的氧氣含量并且根據(jù)車廂中空氣的氧氣含量供給氧氣，從而產(chǎn)生所要求的、通常環(huán)境空氣中具有的氧氣組分。這樣即使在空氣循環(huán)裝置接通時車廂中的空氣也始終具有正常的氧氣含量，而不必在運行期間經(jīng)常供入新鮮空氣。由此避免乘客、尤其是司機過快地疲勞，并且節(jié)省了用于加熱和冷卻的能量。
就這方面而言，尤其有利的是，在加熱裝置運行時對供入的氧氣也進行加熱，而在空調(diào)裝置運行時對供入的氧氣進行冷卻，從而使車廂中所要求的溫度不受供入的氧氣的影響。
此外，應指出的是，吸附技術不僅僅能很好地適用于提高燃燒空氣中的氧氣組分。原則上它還可以將富氧的燃燒空氣供入到廢氣流中，最好是緊接在燃燒之后進行。在廢氣中的相應的高溫下，對于一個相應的氧氣組分，廢氣中將發(fā)生一種后燃，它導致廢氣凈化的改善。
此外可以理解，本發(fā)明也涉及一種具有前面所述類型的燃燒發(fā)動機的汽車，以及一種在燃燒發(fā)動機中使用的前面所述類型的吸附裝置。最后，本發(fā)明也可以應用于非車輛用的發(fā)動機中。根據(jù)本發(fā)明的方法或吸附裝置也易于用在其它需要空氣或氧氣的工作模式，例如在燃料電池、燃氣輪機和尤其是固定的燃燒設備中。
從以下對照附圖對本發(fā)明的一些實施例的說明中可以得到本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點。附圖中，

圖1是本發(fā)明的一個對用于車用燃燒發(fā)動機的部分燃燒空氣進行富氧的吸附裝置的一個示意圖，圖2是本發(fā)明的一個吸附裝置的另一個實施例的對應于圖1的一個視圖，圖3是本發(fā)明的一個吸附裝置的另一個實施例的對應于圖1的一個視圖，圖4是本發(fā)明的另一個吸附裝置的基本上對應于圖1的一個視圖，圖5是本發(fā)明的一個吸附裝置的另一個實施例的基本上對應于圖2的一個視圖，
圖6是本發(fā)明的一個吸附裝置的另一個實施例的基本上對應于圖3的一個視圖，圖7是本發(fā)明的一個吸附裝置的另一個實施例的基本上對應于圖1的一個視圖。
圖1示出了一個對用于一個汽車A的車用燃燒發(fā)動機的燃燒空氣的至少一部分進行富氧的吸附裝置1，一種包括燃燒空氣和燃料的混合物在該燃燒發(fā)動機中燃燒。車用燃燒發(fā)動機本身只示意地示出了一個燃燒室2。吸附裝置1與車用燃燒發(fā)動機直接配置，它位于汽車中裝有燃燒發(fā)動機的發(fā)動機室中。但原則上吸附裝置可以設置在汽車上的任何位置。
首先實質(zhì)在于，吸附裝置1是為了從燃燒空氣中分離出至少一部分氮氣而設置的。為此，吸附裝置1此處具有兩個吸附器3，4。應該理解，原則上也可以設置多個串聯(lián)和/或并聯(lián)的吸附器。吸附器3，4中的每個都含有一種吸附氮氣的吸附劑。此處涉及的是一種沸石。應該理解，原則上也可以應用其它吸附劑。
除了含有用做氮氣吸附劑的沸石以外，在每個吸附器3，4中另外還設置了用于水蒸氣的干燥劑。干燥劑構成在吸附器中沿吸附的流動方向上的第一填料。兩個吸附器3，4是并聯(lián)的。吸附器3，4的上游各連接一個控制閥5，6。此外，在吸附器3，4的下游連接了相應的控制閥7，8。
此外，在吸附器3，4的上游設置了一個壓縮裝置9。在壓縮裝置9中，供給吸附裝置1的燃燒空氣被壓縮。從壓縮裝置9中引出一個管道10，該管道中有一個不是必須要設置的控制閥11。管道10分叉進入到吸附器3，4的供給管12，13，控制閥5，6設置在該供給管12，13中。從供給管12，13分別分叉出一個排出管14，15，其中在每個排出管14，15中都設置了一個控制閥16，17。排出管14，15最后通入一個公共排出管18。在出口側(cè)有排出管19，20與吸附器3，4連接，排出管19，20中設置了控制閥7，8。排出管19，20經(jīng)一個公共的排出管21通入一個連接在吸附器3，4下游的平衡容器22，該平衡容器22用做富氧的燃燒空氣的緩沖器。也可以在吸附器3，4的上游設置一個附圖中沒有示出的平衡容器。
在附圖中沒有示出的是，可以在平衡容器22中設置一個過壓閥，用于在達到一定的壓力時釋放出富氧的燃燒空氣，以便由此防止平衡容器受到損壞。在平衡容器22上連接有一個排出管23，該排出管中也設置了一個控制閥24。此外，一個跨接吸附裝置1的旁通管道25匯入排出管23，旁通管道25中同樣有一個控制閥26。此處旁通管道25與壓縮裝置9連接，這種情況是可以的，但不是非此情況不可。管道23通入燃燒室2，從燃燒室2引出排氣管40。
此外，吸附裝置1還具有一個控制裝置27，除了其它的作用外，該控制裝置27還用于切換吸附器3，4，使得吸附器3，4可以交替地運行?？刂蒲b置27為此如下面要詳細說明的那樣對前面所述的控制閥進行控制。
此外，附圖中沒有示出，還具有對吸附器加熱或?qū)┙o吸附器3，4的壓力空氣加熱的可能性。
圖2中所示的實施例與圖1所示的實施例的區(qū)別在于，管道10是貫通的，沒有旁通管道25，即排出管23匯入管道10中。壓縮裝置9在此處是一個活塞壓縮機或者是一個螺旋式壓縮機。
圖3中所示的實施例與前面所述實施例的區(qū)別在于，控制閥5，6和16，17由兩個三通閥28，29取代，這兩個三通閥是繼電控制的。此外，控制閥7，8由單向閥30，31取代。此外這兩個單向閥30，31也可以是一個三通閥。
現(xiàn)在參見圖1，本發(fā)明的方法是這樣實施的，即首先從壓縮裝置9中吸出燃燒空氣。此外在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，發(fā)動機的控制裝置此時是這樣設計的，使得壓縮裝置9在燃燒室2中的混合物著火之前首先起動。由此保證在燃燒過程開始時就已經(jīng)能夠?qū)⒏谎醯娜紵諝夤┤肴紵?。在壓縮裝置9中則將燃燒空氣壓縮到一個在3到5巴之間的壓力。至少一部分燃燒空氣通過管道10和打開的控制閥11供入吸附器3?？刂崎y5在此情況下被打開，相反，控制閥6則是被關閉的。此外控制閥16和8也是關閉的。相反，控制閥17是打開的。
現(xiàn)在，被壓縮的燃燒空氣流過吸附器3，并且首先流過干燥劑并接著流過吸附氮氣的沸石。通過吸附氮氣得到一種富氧的燃燒空氣，然后該燃燒空氣經(jīng)管道19和打開的控制閥7再離開吸附器3，并接著經(jīng)排出管21供入平衡容器22。從平衡容器22出來的富氧的燃燒空氣經(jīng)排出管23和打開的控制閥24沿燃燒室2的方向流動。
為了保證吸附裝置1連續(xù)運行，以大約1分鐘的均勻間隔在吸附器3，4之間進行切換。在吸附器3為了進行吸附而被通流之后，在控制閥5，7是打開的裝置狀態(tài)下，關閉控制閥17并打開控制閥6，8。然后通過壓縮裝置9壓縮后的燃燒空氣短時間地流過兩個吸附器3，4。接著關閉控制閥5，7，使得被壓縮的燃燒空氣現(xiàn)在只流過吸附器4，并且以前面所述的相同方式供入到平衡容器22。隨著控制閥5，7的關閉，控制閥16被打開。通過打開控制閥16使吸附器3中的壓力下降，并同時使吸附器3中的氮氣解吸。此時位于吸附器3中的、氮氣被增富得非常高的燃燒空氣通過排出管18流出。控制閥16保持打開狀態(tài)的時間與控制閥5，7被關閉的時間一樣長，亦即與吸附器3不處于吸附運行期的時間一樣長。由此可以使氮氣從吸附器3中的吸附劑上基本上被完全地解吸出來。在吸附器4中的吸附過程結(jié)束時則再次關閉控制閥16，接著打開控制閥5，7。在一個短的時間間隔之后再次關閉控制閥6，8，從而接著將控制閥17打開，以便可以使氮氣從吸附器4中的吸附劑上解吸出來。
附圖中沒有示出，可以在吸附之后測量燃燒空氣的氧氣含量，并根據(jù)燃燒發(fā)動機的運行情況進行調(diào)節(jié)或控制。為此，可以根據(jù)需要，通過控制閥24，26向燃燒室2供入具有較多或較少組分的富氧的燃燒空氣或未富氧的燃燒空氣。因此控制閥24，26可以調(diào)節(jié)氧氣的濃度。對富氧的燃燒空氣或未富氧的燃燒空氣的數(shù)量或比例的調(diào)節(jié)是通過控制裝置27進行的。
如果發(fā)動機停止，則閥7，8和24關閉，從而維持平衡容器22中的壓力或使該壓力不降低。此外，前面所述的方法過程以同樣的方式適用于圖2和3所示的實施例，當汽車A或燃燒發(fā)動機具有一個渦輪增壓器時則尤其適合圖1至3所示的實施例。此時燃燒室2中則總是有完全專用的富氧的燃燒空氣供入，以便在渦輪增壓器運行期間為出現(xiàn)的增壓滯后提供功率補償。
在圖4示出的一個實施例中，其中經(jīng)過一個管道41向燃燒室2供入未富氧的燃燒空氣，而經(jīng)過與管道41相獨立的管道23或供給管供入富氧的燃燒空氣。這樣可以對燃燒室中完全確定的位置進行專門的氧氣供給，以便能保證改善燃燒。
在圖5中示出了一個實施例，其中設有兩個吸附器1和1a。第一個吸附器1用于富氧或除去燃燒空氣中的氮氣。與前面所述實施例的情況相反，此處可以以一個高的水平將氮氣從燃燒空氣中除去。在將該富氧的燃燒空氣供入燃燒室2之前，加入一種載體氣體，該載體氣體不參加燃燒室中的燃燒并且以原形存在于廢氣中。此處載體氣體最好是氦氣，但是也可以采用其它稀有氣體和/或惰性氣體作為載體氣體。此時載體氣體至少基本上取代供給燃燒的氣體中的氮氣組分。此時的情況是這樣的，即廢氣經(jīng)管道42供入另一個吸附器1a，在該吸附器中回收載體氣體，而其余的廢氣經(jīng)廢氣管道40排出。因此另一個吸附器1a用于回收載體氣體，并且具有相應的結(jié)構設計，其中既有與吸附器1相同之處，也有不同之處。然后在進行燃燒之前經(jīng)過管道43再將載體氣體供入富氧的燃燒空氣中。此外設置了一個具有調(diào)節(jié)閥48的平衡容器47，通過平衡容器47提供具有一定壓力的載體氣體。平衡容器47用于系統(tǒng)充填和補償在燃燒過程中經(jīng)管道40放出的載體氣體的量。
在圖6示出的實施例中，富氧的空氣經(jīng)吸附器1供入車廂B。在車廂B中，利用一個相應的測量裝置44測量車廂中的空氣的氧氣含量。根據(jù)測量的氧氣含量，通過控制裝置45將富氧的空氣供入車廂B，直到車廂B中的氧氣含量符合環(huán)境空氣的氧氣含量或者符合一個相應預定的氧氣含量。在汽車A的通風系統(tǒng)處于空氣循環(huán)運行狀態(tài)時，控制裝置45最好總是處于響應狀態(tài)。即在這種情況下，始終只是在由于氧氣的消耗而使得空氣質(zhì)量降低時才循環(huán)車廂中的空氣。圖6所示的實施例防止了這種使空氣質(zhì)量降低的情況。
在圖7所示的實施例中，管道23分叉出一個旁通管道46。它用于將富氧的燃燒空氣經(jīng)一個調(diào)節(jié)閥49供入廢氣管道40。圖中未示出，管道23也可以直接接入管道46中，而不將富氧的燃燒空氣供入燃燒室2。通過將富氧的空氣供入廢氣管道40，產(chǎn)生有害氣體的后燃，由此使廢氣凈化。
應該指出，即使在權利要求書中只部分地要求了方法的保護，本發(fā)明的保護范圍也涉及在各個附圖中所示的發(fā)動機和裝置本身。
此外應該理解，所有示出的實施例原則上也是可以互相組合的。
權利要求
1.一個汽車(A)的車用燃燒發(fā)動機，其中一種包括燃燒空氣和燃料的混合物在至少一個燃燒室(2)中燃燒，該發(fā)動機包括一個具有至少一個吸附器(3，4)的吸附裝置(1)，吸附器(3，4)具有一種吸附氮氣的吸附劑，吸附裝置(1)用于通過從燃燒空氣中分離出至少一部分氮氣使燃燒空氣富氧，其特征在于，吸附裝置(1)是這樣構造和設置在汽車內(nèi)的，使得供給燃燒的燃燒空氣中僅一部分被富氧，并且一方面經(jīng)一個與吸附裝置(1)相獨立的管道(41)將未富氧的燃燒空氣供入燃燒室(2)，另一方面經(jīng)一個與管道(41)分開的供給管道將富氧的燃燒空氣供入燃燒室(2)。
2.按照權利要求1的車用燃燒發(fā)動機，其特征在于，在吸附裝置的上游連接有一個壓縮裝置，并且該壓縮裝置最好與車用燃燒發(fā)動機的一個驅(qū)動裝置相連接。
3.按照前述權利要求中之一的車用燃燒發(fā)動機，其特征在于，在吸附器(3，4)中設有一種干燥劑，并且該干燥劑最好作為在吸附期間流體流過時吸附器中的第一裝料。
4.按照前述權利要求中之一的車用燃燒發(fā)動機，其特征在于，設有一個用于干燥劑和/或吸附劑的加熱裝置。
5.按照前述權利要求中之一的車用燃燒發(fā)動機，其特征在于，在吸附器(3，4)的下游和/或上游連接有一個平衡容器(22)。
6.按照前述權利要求中之一的車用燃燒發(fā)動機，其特征在于，在吸附器(3，4)上設置了一個氮氣排出管(18)。
7.按照前述權利要求中之一的車用燃燒發(fā)動機，其特征在于，設置了至少兩個并聯(lián)的吸附器(3，4)，設置了一個用于控制吸附器(3，4)之間的切換的控制裝置(27)，和在吸附器(3，4)的上游和下游連接了由控制裝置(27)控制的控制閥。
8.運行一個汽車(A)的燃燒發(fā)動機的方法，其中一種包括燃燒空氣和燃料的混合物在至少一個燃燒室(2)中燃燒，其中燃燒空氣被供入一個具有至少一個吸附器(3，4)的吸附裝置(1)，以便通過從燃燒空氣中分離出至少一部分氮氣使該燃燒空氣的富氧，其特征在于，供給燃燒的燃燒空氣中僅一部分被富氧，并且一方面經(jīng)一個與吸附裝置(1)相獨立的管道(41)將未富氧的燃燒空氣供入燃燒室(2)，另一方面經(jīng)一個與管道(41)分開的供給管道將富氧的燃燒空氣供入燃燒室(2)。
9.按照權利要求8的方法，其特征在于，富氧的燃燒空氣部分流量尤其在過壓下計量分配到供給燃燒的、未富氧的燃燒空氣中。
10.按照權利要求8或9的方法，其特征在于，富氧的燃燒空氣是按照這樣的量計量分配到未富氧的燃燒空氣中的，使得供給燃燒的燃燒空氣中的氧氣組分在21％至60％之間，優(yōu)選在22％至30％之間。
11.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，在吸附期間吸附器(3，4)中具有一個過壓，該過壓尤其在2至10巴之間，最好在3至5巴之間。
12.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，燃燒空氣在供入吸附裝置之前被加熱和/或干燥劑和/或吸附劑在吸附器中被加熱。
13.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，設置了至少兩個并聯(lián)的吸附器(3，4)并且定期地或者根據(jù)發(fā)動機的功率或者根據(jù)干燥劑或沸石的飽和度在吸附器(3，4)之間進行切換。
14.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，一個吸附器(3，4)在被切換到另一個吸附器(4，3)之前至少進行20秒鐘的吸附運行，并且吸附器(3，4)最好同時運行一個短的時間。
15.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，在從一個吸附器切換到另一個吸附器之后，將該一個吸附器打開，使得被吸附的氮氣從該一個吸附器上解吸出來并釋放到環(huán)境中去，并且該一個吸附器最好是在另一個吸附器的整個吸附期間是打開的。
16.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，在解吸期間，吸附器尤其用富氧的燃燒空氣掃氣，尤其是是反向掃氣。
17.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，在吸附之后對燃燒空氣中的氧氣含量進行測量并且根據(jù)一定的運行情況，尤其是在燃燒發(fā)動機起動時，對氧氣含量進行調(diào)節(jié)或控制。
18.按照前述方法權利要求中之一的方法，其特征在于，在燃燒發(fā)動機起動之前，起動一個壓縮裝置，以便在吸附時產(chǎn)生過壓。
19.運行一個汽車(A)的一種具有一個渦輪增壓器的燃燒發(fā)動機的方法，尤其是按照前述方法權利要求中之一的方法，其中一種包括燃燒空氣和燃料的混合物在至少一個燃燒室(21)中燃燒，其中燃燒空氣被供入一個至少具有一個吸附器(3，4)的吸附裝置(1)，以便通過從燃燒空氣中分離出至少一部分氮氣使該燃燒空氣富氧，其中在渦輪增壓器起動期間是這樣將富氧的燃燒空氣供入燃燒發(fā)動機的，即使得在渦輪增壓器起動期間出現(xiàn)的增壓滯后至少基本上得到補償。
20.運行一個汽車(A)的一種燃燒發(fā)動機的方法，尤其是按照前述方法權利要求中之一的方法，其中一種包括燃燒空氣和燃料的混合物至少在一個燃燒室中被燃燒，其中燃燒空氣被供入一個至少具有一個吸附器(3，4)的吸附裝置(1)，以便通過從燃燒空氣中分離出至少一部分氮氣使該燃燒空氣的富氧，其特征在于，富氧的燃燒空氣在燃燒之前被加入一種載體氣體，該載體氣體不參加燃燒室中的燃燒并且以原形存在于廢氣中。
21.按照權利要求20的方法，其特征在于，載體氣體是循環(huán)運行的并緊接在燃燒之后被回收。
22.按照權利要求20或21的方法，其特征在于，載體氣體的加入和/回收是根據(jù)燃燒發(fā)動機的發(fā)動機功率進行控制或調(diào)節(jié)的。
23.運行一個汽車(A)的方法，尤其是按照前述方法 中之一的方法，其中在汽車(A)的一個車廂(B)中的空氣在空氣循環(huán)裝置運行時被循環(huán)，其中空氣被供入一個至少具有一個吸附器(3，4)的吸附裝置(1)，以便通過從該空氣中分離出至少一部分氮氣使該空氣富氧，其特征在于，在空氣循環(huán)裝置運行期間對車廂(B)中的氧氣含量進行測量，并且根據(jù)測量的車廂(B)中的空氣的氧氣含量將來自吸附裝置(1)的富氧的空氣供入車廂(B)。
24.運行一個汽車(A)的一種燃燒發(fā)動機的方法，尤其是按照前述方法權利要求中之一的方法，其中一種包括燃燒空氣和燃料的混合物至少在一個燃燒室(2)中燃燒，其特征在于，空氣被供入一個至少具有一個吸附器(3，4)的吸附裝置(1)，以便通過從該空氣中分離出至少一部分氮氣使該空氣的富氧，并且緊接在燃燒之后將富氧的空氣供入到廢氣流中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個汽車(A)的一種車用燃燒發(fā)動機,其中一種包括燃燒空氣和燃料的混合物至少在一個燃燒室(2)中燃燒,該發(fā)動機包括一個至少具有一個吸附器(3,4)的吸附裝置(1),吸附器(3,4)具有一種吸附氮氣的吸附劑,吸附裝置(1)用于通過從燃燒空氣中分離出至少一部分氮氣使燃燒空氣的富氧。為了利用汽車領域和車用燃燒發(fā)動機領域中的吸附技術的優(yōu)點,尤其是提供一種本文開頭所述型類的車用燃燒發(fā)動機和一種運行這種發(fā)動機的方法,其中,吸附裝置結(jié)構簡單,安裝經(jīng)濟并且也適合于批量應用。本發(fā)明規(guī)定,吸附裝置(1)是這樣構造和設置在汽車內(nèi)的,使得供給燃燒的燃燒空氣中僅一部分被富氧,并且一方面經(jīng)一個與吸附裝置(1)相獨立的管道(41)將未富氧的燃燒空氣供入燃燒室(2),另一方面經(jīng)一個與管道(41)分開的供給管道將富氧的燃燒空氣供入燃燒室(2)。
文檔編號F02M35/10GK1387606SQ00815366
公開日2002年12月25日 申請日期2000年9月6日 優(yōu)先權日1999年9月6日
發(fā)明者M·凱爾納, D·雷恩坦茨 申請人:創(chuàng)新內(nèi)燃機技術股份有限公司