一種分子膜式車用氮氧分離裝置及分離方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及氮氧分離領域，特別涉及一種分子膜式車用氮氧分離裝置及分離方 法。
【背景技術】
[0002] 隨著經濟發展，能源緊缺和環境污染也成為世界性難題，如何進一步提高內燃機 效率、節約燃料、降低排放成為內燃機技術發展的重要方向之一；隨著汽車技術的發展， 內燃機技術，例如渦輪增壓、高壓縮比與抗震燃料、多點直噴、分層燃燒、稀薄燃燒、進排氣 調節、高能點火等各方面技術已經發展地非常成熟，內燃機熱效率已經面臨系統瓶頸；要 進一步提高內燃機性能，通過調節可燃混合氣的組分來輔助改善燃燒性能是發展的重要 方向之一，例如富氫燃燒、富氧燃燒都可以極大地直接改善燃燒性能。隨著氧氣含量的提 高，燃燒對于氣缸材料的要求也越高，根據目前氣缸材料的不同，富氧燃燒的氧濃度一般在 31 % -34%以下，富氧濃度還是較低的。因此，車載氮氧分離裝置主要目標是從普通空氣中 實時地大量地分離出富氧濃度的空氣。
[0003] 現有氮氧分離技術主要有變壓吸附法、膜法分離、磁分離、離心分離等技術。目前 市場上銷售的采用變壓吸附法的制氧機有裝配工藝復雜，內部氣管接口多，體積大，效率 低，氣密性差，制作成本高等缺點。膜法分離采用的有機分子膜遇油、水易失效，密封要求 高。磁分離技術效率低，技術復雜。離心分離所需裝置體積大，軸承磨損嚴重，工藝要求高。 而在現有技術中，由于將空氣中的氧氣分離之后，分離裝置的進氣端氮氣的濃度會升高，氧 氣的濃度大大降低，這也使分離裝置的工作效率大大降低，所以需要暫停工作進行排氣，這 也使分離裝置不能連續的工作，影響的分離效率。
[0004] 因此，車載富氧燃燒發動機必須要提供一種簡潔高效的氮氧分離裝置，來解決現 有技術中存在的問題。

【發明內容】

[0005] 為了解決了現有技術中氮氧分離裝置工作一段時間后入口端氧氣含量降低進而 使分離效率降低的技術問題，本發明設計開發了一種分子膜式車用氮氧分離裝置，提供了 兩套氮氧分離裝置，它們能夠交替工作，使處于非工作狀態的氮氧分離器進行排除廢氣作 業，以提高分離效率，并且提供了一個旁路及旁路流量控制方法，在氮氧分離器不能正常工 作時通過旁路的供氣確保發動機正常工作。
[0006] 本發明提供的技術方案為：
[0007] -種分子膜式車用氮氧分離裝置，包括：
[0008] 渦輪增壓器，其由汽車發動機排出的尾氣驅動，用于吸入空氣并將空氣壓縮；
[0009] 氮氧分離器，其包括用于攔截氮氣通過氧氣的分子膜，所述氮氧分離器設置有兩 套，用于將空氣中的氧氣分離；
[0010] 進氣閥門，其為三通閥門，設置有兩套，所述進氣閥門的進氣端與所述渦輪增壓器 相連接，第一出氣端與所述氮氧分離器相連接，所述兩套進氣閥門的進氣端交替開啟和關 閉，實現兩套氮氧分離器交替工作；
[0011] 出氣閥門，其為三通閥門，所述出氣閥門的兩個進氣端口分別與兩套所述氮氧分 離器連接，所述出氣閥門出氣端口連接汽車發動機，為發動機提供高含氧量的空氣；
[0012] 負壓泵，其由汽車發動機驅動，并且分別與兩個所述進氣閥門的第二出氣端相連， 所述進氣閥門的第二出氣端與進氣端的開閉狀態相反，使所述負壓泵能夠排出未工作氮氧 分離器內的空氣；
[0013] 分離控制器，其控制兩套所述進氣閥門第一出氣端與第二出氣端的開閉，并控制 出氣閥門使兩路交替向發動機供氧，實現兩套氮氧分離器交替工作；
[0014] 其中，在所述氮氧分離器的前端和后端均串聯安裝有氧濃度傳感器、溫度計、壓力 計，用于測量空氣在進入氮氧分離器前和經氮氧分離器分離后的溫度、壓力和氧氣濃度。
[0015] 優選的是，所述渦輪增壓器與發動機之間設置有主進氣管路，所述主進氣管路與 所述氮氧分離裝置并聯，所述主進氣管路上安裝有電控節流閥，使空氣不經氮氧分離裝置 而直接供給到發動機中。
[0016] 優選的是，所述渦輪增壓器出口端還連接有中冷器和精細空氣濾清器，用于為空 氣降溫及去除空氣中雜質。
[0017] 優選的是，所述的分子膜材料為氟代聚合物、或乙基纖維素、或甲基硅橡膠、或聚 烯烴累化合物、或四甲基戊烯。
[0018] -種車用氮氧分離方法，上述的分子膜式車用氮氧分離裝置，并包括以下步驟：
[0019] 步驟一、設定分子膜兩側初始壓力差APci、分子膜兩側初始氧濃度差AQ1、分子膜 兩側初始溫度差ATtl;
[0020] 步驟二、分別讀取氮氧分離裝置前端的氧濃度傳感器、溫度計、壓力計測量的前端 氧氣濃度C1、前端溫度T1、前端壓力P1，以及氮氧分離裝置后端的氧濃度傳感器、溫度計、壓 力計測量的后端氧氣濃度C2、后端溫度T2、后端壓力P2;
[0021] 將測量得到的后端溫度1~2與分子膜額定工作溫度T^進行比較，若后端溫度T2大 于等于分子膜額定工作溫度Ttl，則控制電控節流閥開度，使空氣經過主進氣管路直接供給 到發動機中，保護氮氧分離裝置并避免發動機進氣不暢，所述電控節流閥開度為
【主權項】
1. 一種分子膜式車用氮氧分離裝置，其特征在于，包括： 渦輪增壓器，其由汽車發動機排出的尾氣驅動，用于吸入空氣并將空氣壓縮； 氮氧分離器，其包括用于攔截氮氣通過氧氣的分子膜，所述氮氧分離器設置有兩套，用 于將空氣中的氧氣分離； 進氣閥門，其為三通閥門，設置有兩套，所述進氣閥門的進氣端與所述渦輪增壓器相連 接，第一出氣端與所述氮氧分離器相連接，所述兩套進氣閥門的進氣端交替開啟和關閉，實 現兩套氮氧分離器交替工作； 出氣閥門，其為三通閥門，所述出氣閥門的兩個進氣端口分別與兩套所述氮氧分離器 連接，所述出氣閥門出氣端口連接汽車發動機，為發動機提供高含氧量的空氣； 負壓泵，其由汽車發動機驅動，并且分別與兩個所述進氣閥門的第二出氣端相連，所述 進氣閥門的第二出氣端與進氣端的開閉狀態相反，使所述負壓泵能夠排出未工作氮氧分離 器內的空氣； 分離控制器，其控制兩套所述進氣閥門第一出氣端與第二出氣端的開閉，并控制出氣 閥門使兩路交替向發動機供氧，實現兩套氮氧分離器交替工作； 其中，在所述氮氧分離器的前端和后端均串聯安裝有氧濃度傳感器、溫度計、壓力計， 用于測量空氣在進入氮氧分離器前和經氮氧分離器分離后的溫度、壓力和氧氣濃度。
2. 根據權利要求1所述的分子膜式車用氮氧分離裝置，其特征在于，所述渦輪增壓器 與發動機之間設置有主進氣管路，所述主進氣管路與所述氮氧分離裝置并聯，所述主進氣 管路上安裝有電控節流閥，使空氣不經氮氧分離裝置而直接供給到發動機中。
3. 根據權利要求1或2所述的分子膜式車用氮氧分離裝置，其特征在于，所述渦輪增壓 器出口端還連接有中冷器和精細空氣濾清器，用于為空氣降溫及去除空氣中雜質。
4. 根據權利要求1-3中任一項所述的分子膜式車用氮氧分離裝置，其特征在于，所述 的分子膜材料為氟代聚合物、或乙基纖維素、或甲基硅橡膠、或聚烯烴累化合物、或四甲基 戊烯。
5. -種車用氮氧分離方法，其特征在于，使用如權利要求1-4所述的分子膜式車用氮 氧分離裝置，并包括以下步驟： 步驟一、設定分子膜兩側初始壓力差APci、分子膜兩側初始氧濃度差Λ Ctl、分子膜兩側 初始溫度差Δ Ttl; 步驟二、分別讀取氮氧分離裝置前端的氧濃度傳感器、溫度計、壓力計測量的前端氧氣 濃度C1、前端溫度T1、前端壓力P1，以及氮氧分離裝置后端的氧濃度傳感器、溫度計、壓力計 測量的后端氧氣濃度C 2、后端溫度T2、后端壓力P2; 將測量得到的后端溫度1~2與分子膜額定工作溫度T ^進行比較，若后端溫度T 2大于等 于分子膜額定工作溫度Ttl，則控制電控節流閥開度，使空氣經過主進氣管路直接供給到發 動機中，保護氮氧分離裝置并避免發動機進氣不暢，所述電控節流閥開度為
其中，Kp是比例系數；Kd是微分系數；Et= T2-Ttl，代表分子膜后端溫度與額定工作溫度 的差值；k代表第k次循環采樣計算；k-Ι代表上次循環采樣計算數據；△ t是采樣周期；α 為電控節流閥開度大小； 若后端溫度T2小于分子膜額定工作溫度T ^，則進行步驟三； 步驟三、利用步驟二中測量得到的參數，采用如下公式，計算氮氧分離裝置前后兩端的 氧氣濃度差AC、溫度差Λ T、壓力差Λ P AC = C2-C1 Δ T = T2-T1 ΔΡ = P2-P1; 步驟四、根據步驟三中計算得到的氧氣濃度差AC、溫度差ΛΤ、壓力差ΛΡ，判斷分子 篩中氮飽和程度，若分子篩中氮氣飽和，則進行下一步，若分子篩中氮氣未飽和，則返回步 驟三； 步驟五、切換兩路氮氧分離裝置工作狀態，使還原后的一路分子膜繼續氮氧分離，同時 對另一路飽和分子膜進行還原，排除其中吸附的氮氣。
6. 根據權利要求5所述車用氮氧分離方法，其特征在于，步驟四中判斷分子篩中氮飽 和的判斷標準為：當氧氣濃度差AC-定時，壓力差ΛΡ大于初始壓力差AP tl，且溫度差ΛΤ 大于初始溫度差Δ Ttl。
7. 根據權利要求5所述車用氮氧分離方法，其特征在于，步驟四中判斷分子篩中氮飽 和的判斷標準為：當壓力差△ P-定時，氧氣濃度差△ C小于初始氧氣濃度差ACtl，且溫度 差ΛΤ大于初始溫度差ΛΤ。。
【專利摘要】本發明設計開發了一種分子膜式車用氮氧分離裝置，包括渦輪增壓器、氮氧分離器、進氣閥門、出氣閥門、負壓泵、電控節流閥，所述渦輪增壓器由汽車渦輪增壓器中的渦輪驅動，將空氣進行壓縮，分別送到兩路氮氧分離裝置中，氮氧分離裝置可將空氣中的氧氣進行分離，輸出含氧量高的空氣，經出氣閥門供給發動機使用。兩路氮氧分離裝置交替工作，且當兩路氮氧分離裝置溫度過高影響制氧效率時，通過控制電控節流閥開度，打開主進氣管路正常提供空氣，避免氣路堵塞，發動機熄火。本發明所述的車用氮氧分離裝置，通過兩條支路交替工作，實現了向發動機不間斷的提供高濃度氧氣，以供燃料燃燒做功，提高燃料燃燒利用率。
【IPC分類】F02B37-00, F02M25-12, C01B13-02, B01D53-22
【公開號】CN104727990
【申請號】CN201510099103
【發明人】王軍年, 劉鵬, 王治強, 王慶年, 孫娜娜, 張垚
【申請人】吉林大學
【公開日】2015年6月24日
【申請日】2015年3月6日