本发明涉及汽车发动机技术领域，尤其涉及一种可以控制进气中氮氧含量的发动机及汽车。
背景技术：
不管是汽油发动机还是柴油发动机都会产生污染物；其中，汽油发动机主要产生co、nox和hc(未燃烧完全的碳氢化合物)等污染物，而柴油发动机会产生大量的微粒物质和nox等污染物。即使是目前正在逐步扩展应用的甲醇燃料汽车、天然气燃料汽车，甚至是各汽车企业和研究所正研究的氢燃料汽车，都会产生污染。
众所周知，发动机需要吸收空气进入气缸才能使燃料和空气产生氧化反应，以此为发动机提供动力来源。然而，空气由多种气体混合而成，空气中的氧气参加化学反应的同时，也会有其他气体在高温高压的气缸里面化学反应产生污染物，甚至于一部分燃料燃烧时也因产生中间产物而形成污染物。因此，在合适的进气压力和进气温度条件下，控制进入发动机气缸的氧气和氮气的含量，能有效的减少排气污染物。
目前，改善发动机的工况和减少尾气污染是通过egr(废气再循环)装置来实现，该egr装置主要作用是将发动机产生的部分废气再次引入气缸，进行二次燃烧氧化，同时废气可以对新鲜气体进行预热，使混合气达到合适的燃烧温度，但该egr装置具有较高的生产成本，且只能回收部分废气。
鉴于我国将在2020年实行国六标准，要求轻型车百公里油耗标准降低到5l，且汽车尾气排放标准接近欧五标准，因此对于汽车企业而言，亟需改善发动机性能，不仅要在提高汽车动力性、经济性等指标的同时，也要满足越来越严格的排放标准。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种可以控制进气中氮氧含量的发动机及汽车，使得燃料燃烧更加完全，能降低发动机污染物的产生，替代传统egr装置。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种控制进气中氮氧含量的发动机，其与汽车车载电脑ecu相配合，包括气缸、进气歧管、排气管、氮氧分离装置和涡轮增压器；其中，
所述气缸上安装有所述进气歧管和所述排气管；
所述氮氧分离装置设置于所述进气歧管上，其包括用于氮气和氧气分离的聚合膜组、旁通管、进给泵、泄氮管、泄氮阀、氮气流量控制阀、进气管、泄氧管、泄氧阀和气体混合室；其中，
所述聚合膜组的中间部位连接所述旁通管并与所述气体混合室相导通形成氮气进气支路，底部连接所述进气管并与所述气体混合室相导通形成氧气进气支路；
所述旁通管上安装有所述进给泵、所述泄氮管和所述氮气流量控制阀；其中，所述进给泵位于靠近所述聚合膜组的一侧；所述氮气流量控制阀位于靠近所述气体混合室一侧，其上还设有与所述ecu相连的氮气流量传感器；所述泄氮管位于所述进给泵和所述氮气流量控制阀之间，其上还设有与所述ecu相连的泄氮阀；
所述进气管上安装有所述泄氧管，且所述泄氧管位于靠近所述聚合膜组一侧，其上设有与所述ecu相连的泄氧阀；
所述涡轮增压器跨接在所述氮氧分离装置的进气管和所述进气管上，且两端叶轮分别位于所述进气管和所述进气管中。
其中，所述聚合膜组由多孔聚合膜构成，且其顶部设有用于过滤空气的空气滤清器。
其中，当所述ecu判定所述控制进气中氮氧含量的发动机处于中小负荷运行状态时，则所述进给泵开启及所述涡轮增压器关闭。
其中，当所述ecu判定所述控制进气中氮氧含量的发动机处于中高负荷运行状态时，则所述进给泵及所述涡轮增压器同时开启。
其中，当所述ecu判定所述发动机满足车况时所需要的进气量中氮氧含量为0≤ψ<1时，则所述ecu驱动所述泄氮阀关闭及驱动所述泄氧阀开启。
其中，当所述ecu判定所述发动机满足车况时所需要的进气量中氮氧含量为ψ＝1时，则所述ecu驱动所述泄氮阀及所述泄氧阀同时关闭。
其中，当所述ecu判定所述发动机满足车况时所需要的进气量中氮氧含量为1<ψ≤4.76时，则所述ecu驱动所述泄氮阀开启及驱动所述泄氧阀关闭。
其中，所述控制进气中氮氧含量的发动机还包括安装于所述进气歧管上的节气门，所述节气门位于所述气缸和所述氮氧分离装置之间。
其中，所述控制进气中氮氧含量的发动机还包括安装于所述进气歧管上的冷凝器，所述冷凝器位于所述节气门和所述氮氧分离装置的气体混合室之间。
本发明实施例还提供了一种汽车，其包括前述的控制进气中氮氧含量的发动机。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
本发明使用由多孔聚合膜构成的氮氧分离装置将空气进行氮气与氧气的分离并按照ecu指令进行混合，使得重新混合的空气与燃油形成混合气在气缸中燃烧时能够达到较理想的燃烧速度，燃料燃烧更加完全，从而降低了发动机产生的污染物及温度，控制燃烧过程，同时省略了传统发动机所使用的egr系统，降低了生产成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一中提供的控制进气中氮氧含量的发动机的局部平面结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
如图1所示，为本发明实施例一中，提出的一种控制进气中氮氧含量的发动机，其与汽车车载电脑ecu(未图示)相配合，包括气缸1、进气歧管2、排气管3、氮氧分离装置4和涡轮增压器5；其中，
气缸1上安装有进气歧管2和排气管3；
氮氧分离装置4设置于进气歧管2上，其包括用于氮气和氧气分离的聚合膜组41、旁通管42、进给泵43、泄氮管44、泄氮阀45、氮气流量控制阀46、进气管47、泄氧管48、泄氧阀49和气体混合室410，；其中，
聚合膜组41由多孔聚合膜构成，其中间部位连接旁通管42并与气体混合室410相导通形成氮气进气支路，底部连接进气管47并与气体混合室410相导通形成氧气进气支路，这样使得氮气和氧气分离后又可以重新在气体混合室410进行混合。应当说明的是，气体混合室410中氮气和氧气的混合比例是由ecu根据多个传感器断定的车况决定的，因此需对氮气进气支路的氮气进入量和氧气进气支路的氧气进入量进行调节，具体为分别对旁通管42和进气管47进行设置调节。
首先，旁通管42上安装有进给泵43、泄氮管44和氮气流量控制阀45；其中，进给泵43位于靠近聚合膜组41一侧；氮气流量控制阀45位于靠近气体混合室410一侧，其上还设有与ecu相连的氮气流量传感器；泄氮管44位于进给泵43和氮气流量控制阀45之间，其上还设有与ecu相连的泄氮阀45，这样就可以通过ecu对泄氮管45上的泄氮阀46和氮气流量控制阀47来调节氮气进入量；
其次，进气管47上安装有泄氧管48，且泄氧管48位于靠近聚合膜组41一侧，其上设有与ecu相连的泄氧阀49，，这样可以通过ecu对泄氧管48上的泄氧阀49来调节氧气进入量；涡轮增压器5跨接在氮氧分离装置4的进气管47和进气管48上，且两端叶轮分别位于进气管47和进气管48中。
应当说明的是，ecu是通过进气温度传感器、进气压力传感器、发动机转速传感器、进气流量传感器、氮气流量传感器、氧传感器等多个信号判定本发明实施例一中控制进气中氮氧含量的发动机工况，计算出该发动机满足工况条件所需燃油量和所需的氧气含量，从而对氮氧分离装置4进行进气调节。
然而，该发动机在不同负荷运行状态下，进气工作方式也不同，使得进给泵43和涡轮增压器5开启条件也不同，具体为：
当ecu判定该发动机处于中小负荷运行状态时，则进给泵43开启及涡轮增压器5关闭，此时涡轮增压器5不介入发动机进气工作，进给泵43工作并与外界空气形成压力差，进而造成聚合膜组41上的多孔聚合膜上下表面形成压力差，使得空气在压力作用下被吸附到聚合膜的高压上表面，通过聚合膜分离层时形成浓度梯度而扩散，最后脱离聚合膜低压下表面，分离出来的氮气被进给泵43从旁通管42进入气体混合室410，而氧气通过进气管47进入气体混合室410；
当ecu判定该发动机处于中高负荷运行状态时，则进给泵43及涡轮增压器5同时开启，此时涡轮增压器5介入发动机进气工作，进给泵43和涡轮增压器5工作并与外界空气形成压力差，进而造成聚合膜组41上的多孔聚合膜上下表面形成压力差，使得空气在压力作用下被吸附到聚合膜的高压上表面，通过聚合膜分离层时形成浓度梯度而扩散，最后脱离聚合膜低压下表面，分离出来的氮气被进给泵43从旁通管42进入气体混合室410，而氧气通过进气管47进入气体混合室410。
在本发明实施例一中，对气缸1中参与燃烧的氧气比例，可以用富氧燃烧、标准燃烧及富氮燃烧进行描述。将标准空气组分看成是由21％的氧气和79％的氮气组成，定义无量纲的氮氧控制参数ψ，由理想气体状态方程得：
其中，
氮氧控制参数ψ满足0≤ψ≤4.76。且
碳氢化合物燃料与供给的空气形成的可燃混合气在气缸中燃烧时的化学反应方程式为：
其中，φ是当量比。
因此，对于气缸1上述两种负荷状态的运行工况，都可以根据气缸1中氧气比例大小来调节氮氧分离装置4中氮气和氧气的混合比例，即调节旁通管42上的泄氮阀44和进气管48上的泄氧阀49的开启或关闭来实现，具体为：
(i)气缸1中富氮燃烧：当ecu判定气缸1所需要的进气量中氮氧含量为0≤ψ<1时，即气体混合室410供给气缸1空气的氧气比例低于标准空气中氧气比例，则ecu驱动泄氮阀44关闭及驱动泄氧阀49开启；
(ii)气缸1中标准燃烧：当ecu判定气缸1所需要的进气量中氮氧含量为ψ＝1时，即气体混合室410供给气缸1空气的氧气比例等于标准空气中氧气比例，则ecu驱动泄氮阀44及泄氧阀49同时关闭；
(iii)气缸1中富氧燃烧：当ecu判定气缸1所需要的进气量中氮氧含量为1<ψ≤4.76时，即气体混合室410供给气缸1空气的氧气比例大于标准空气中氧气比例，则ecu驱动泄氮阀44开启及驱动泄氧阀49关闭。
为了避免空气中大颗粒物质进入气缸1中，因此在聚合膜组42的顶部设有用于隔离空气大颗粒的空气滤清器6。
为了便于控制氮氧分离装置4中氮氧混合气体通过进气歧管2进入气缸1，因此该控制进气中氮氧含量的发动机还包括安装于进气歧管2上的节气门7，该节气门7位于气缸1和氮氧分离装置4之间；
为了降低氮氧混合气体进入气缸1的温度，因此该控制进气中氮氧含量的发动机还包括安装于进气歧管2上的冷凝器8，冷凝器8位于节气门7和气体混合室410之间；
相应于本发明实施例一的控制进气中氮氧含量的发动机，本发明实施例二还提供了一种汽车，具有本发明实施例一中所述的控制进气中氮氧含量的发动机，该控制进气中氮氧含量的发动机的构成及连接关系等此处不再一一赘述。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
本发明使用由多孔聚合膜构成的氮氧分离装置将空气进行氮气与氧气的分离并按照ecu指令进行混合，使得重新混合的空气与燃油形成混合气在气缸中燃烧时能够燃烧更加完全，从而降低了发动机产生的污染物及温度，同时省略了传统发动机所使用的egr系统，降低了生产成本。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。