一种分子膜式车用氮氧分离装置及分离方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及氮氧分离领域，特别涉及一种分子膜式车用氮氧分离装置及分离方 法。
【背景技术】
[0002] 随着经济发展，能源紧缺和环境污染也成为世界性难题，如何进一步提高内燃机 效率、节约燃料、降低排放成为内燃机技术发展的重要方向之一；随着汽车技术的发展， 内燃机技术，例如涡轮增压、高压缩比与抗震燃料、多点直喷、分层燃烧、稀薄燃烧、进排气 调节、高能点火等各方面技术已经发展地非常成熟，内燃机热效率已经面临系统瓶颈；要 进一步提高内燃机性能，通过调节可燃混合气的组分来辅助改善燃烧性能是发展的重要 方向之一，例如富氢燃烧、富氧燃烧都可以极大地直接改善燃烧性能。随着氧气含量的提 高，燃烧对于气缸材料的要求也越高，根据目前气缸材料的不同，富氧燃烧的氧浓度一般在 31 % -34%以下，富氧浓度还是较低的。因此，车载氮氧分离装置主要目标是从普通空气中 实时地大量地分离出富氧浓度的空气。
[0003] 现有氮氧分离技术主要有变压吸附法、膜法分离、磁分离、离心分离等技术。目前 市场上销售的采用变压吸附法的制氧机有装配工艺复杂，内部气管接口多，体积大，效率 低，气密性差，制作成本高等缺点。膜法分离采用的有机分子膜遇油、水易失效，密封要求 高。磁分离技术效率低，技术复杂。离心分离所需装置体积大，轴承磨损严重，工艺要求高。 而在现有技术中，由于将空气中的氧气分离之后，分离装置的进气端氮气的浓度会升高，氧 气的浓度大大降低，这也使分离装置的工作效率大大降低，所以需要暂停工作进行排气，这 也使分离装置不能连续的工作，影响的分离效率。
[0004] 因此，车载富氧燃烧发动机必须要提供一种简洁高效的氮氧分离装置，来解决现 有技术中存在的问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决了现有技术中氮氧分离装置工作一段时间后入口端氧气含量降低进而 使分离效率降低的技术问题，本发明设计开发了一种分子膜式车用氮氧分离装置，提供了 两套氮氧分离装置，它们能够交替工作，使处于非工作状态的氮氧分离器进行排除废气作 业，以提高分离效率，并且提供了一个旁路及旁路流量控制方法，在氮氧分离器不能正常工 作时通过旁路的供气确保发动机正常工作。
[0006] 本发明提供的技术方案为：
[0007] -种分子膜式车用氮氧分离装置，包括：
[0008] 涡轮增压器，其由汽车发动机排出的尾气驱动，用于吸入空气并将空气压缩；
[0009] 氮氧分离器，其包括用于拦截氮气通过氧气的分子膜，所述氮氧分离器设置有两 套，用于将空气中的氧气分离；
[0010] 进气阀门，其为三通阀门，设置有两套，所述进气阀门的进气端与所述涡轮增压器 相连接，第一出气端与所述氮氧分离器相连接，所述两套进气阀门的进气端交替开启和关 闭，实现两套氮氧分离器交替工作；
[0011] 出气阀门，其为三通阀门，所述出气阀门的两个进气端口分别与两套所述氮氧分 离器连接，所述出气阀门出气端口连接汽车发动机，为发动机提供高含氧量的空气；
[0012] 负压泵，其由汽车发动机驱动，并且分别与两个所述进气阀门的第二出气端相连， 所述进气阀门的第二出气端与进气端的开闭状态相反，使所述负压泵能够排出未工作氮氧 分离器内的空气；
[0013] 分离控制器，其控制两套所述进气阀门第一出气端与第二出气端的开闭，并控制 出气阀门使两路交替向发动机供氧，实现两套氮氧分离器交替工作；
[0014] 其中，在所述氮氧分离器的前端和后端均串联安装有氧浓度传感器、温度计、压力 计，用于测量空气在进入氮氧分离器前和经氮氧分离器分离后的温度、压力和氧气浓度。
[0015] 优选的是，所述涡轮增压器与发动机之间设置有主进气管路，所述主进气管路与 所述氮氧分离装置并联，所述主进气管路上安装有电控节流阀，使空气不经氮氧分离装置 而直接供给到发动机中。
[0016] 优选的是，所述涡轮增压器出口端还连接有中冷器和精细空气滤清器，用于为空 气降温及去除空气中杂质。
[0017] 优选的是，所述的分子膜材料为氟代聚合物、或乙基纤维素、或甲基硅橡胶、或聚 烯烃累化合物、或四甲基戊烯。
[0018] -种车用氮氧分离方法，上述的分子膜式车用氮氧分离装置，并包括以下步骤：
[0019] 步骤一、设定分子膜两侧初始压力差APci、分子膜两侧初始氧浓度差AQ1、分子膜 两侧初始温度差ATtl;
[0020] 步骤二、分别读取氮氧分离装置前端的氧浓度传感器、温度计、压力计测量的前端 氧气浓度C1、前端温度T1、前端压力P1，以及氮氧分离装置后端的氧浓度传感器、温度计、压 力计测量的后端氧气浓度C2、后端温度T2、后端压力P2;
[0021] 将测量得到的后端温度1~2与分子膜额定工作温度T^进行比较，若后端温度T2大 于等于分子膜额定工作温度Ttl，则控制电控节流阀开度，使空气经过主进气管路直接供给 到发动机中，保护氮氧分离装置并避免发动机进气不畅，所述电控节流阀开度为
【主权项】
1. 一种分子膜式车用氮氧分离装置，其特征在于，包括： 涡轮增压器，其由汽车发动机排出的尾气驱动，用于吸入空气并将空气压缩； 氮氧分离器，其包括用于拦截氮气通过氧气的分子膜，所述氮氧分离器设置有两套，用 于将空气中的氧气分离； 进气阀门，其为三通阀门，设置有两套，所述进气阀门的进气端与所述涡轮增压器相连 接，第一出气端与所述氮氧分离器相连接，所述两套进气阀门的进气端交替开启和关闭，实 现两套氮氧分离器交替工作； 出气阀门，其为三通阀门，所述出气阀门的两个进气端口分别与两套所述氮氧分离器 连接，所述出气阀门出气端口连接汽车发动机，为发动机提供高含氧量的空气； 负压泵，其由汽车发动机驱动，并且分别与两个所述进气阀门的第二出气端相连，所述 进气阀门的第二出气端与进气端的开闭状态相反，使所述负压泵能够排出未工作氮氧分离 器内的空气； 分离控制器，其控制两套所述进气阀门第一出气端与第二出气端的开闭，并控制出气 阀门使两路交替向发动机供氧，实现两套氮氧分离器交替工作； 其中，在所述氮氧分离器的前端和后端均串联安装有氧浓度传感器、温度计、压力计， 用于测量空气在进入氮氧分离器前和经氮氧分离器分离后的温度、压力和氧气浓度。
2. 根据权利要求1所述的分子膜式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述涡轮增压器 与发动机之间设置有主进气管路，所述主进气管路与所述氮氧分离装置并联，所述主进气 管路上安装有电控节流阀，使空气不经氮氧分离装置而直接供给到发动机中。
3. 根据权利要求1或2所述的分子膜式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述涡轮增压 器出口端还连接有中冷器和精细空气滤清器，用于为空气降温及去除空气中杂质。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的分子膜式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述 的分子膜材料为氟代聚合物、或乙基纤维素、或甲基硅橡胶、或聚烯烃累化合物、或四甲基 戊烯。
5. -种车用氮氧分离方法，其特征在于，使用如权利要求1-4所述的分子膜式车用氮 氧分离装置，并包括以下步骤： 步骤一、设定分子膜两侧初始压力差APci、分子膜两侧初始氧浓度差Λ Ctl、分子膜两侧 初始温度差Δ Ttl; 步骤二、分别读取氮氧分离装置前端的氧浓度传感器、温度计、压力计测量的前端氧气 浓度C1、前端温度T1、前端压力P1，以及氮氧分离装置后端的氧浓度传感器、温度计、压力计 测量的后端氧气浓度C 2、后端温度T2、后端压力P2; 将测量得到的后端温度1~2与分子膜额定工作温度T ^进行比较，若后端温度T 2大于等 于分子膜额定工作温度Ttl，则控制电控节流阀开度，使空气经过主进气管路直接供给到发 动机中，保护氮氧分离装置并避免发动机进气不畅，所述电控节流阀开度为
其中，Kp是比例系数；Kd是微分系数；Et= T2-Ttl，代表分子膜后端温度与额定工作温度 的差值；k代表第k次循环采样计算；k-Ι代表上次循环采样计算数据；△ t是采样周期；α 为电控节流阀开度大小； 若后端温度T2小于分子膜额定工作温度T ^，则进行步骤三； 步骤三、利用步骤二中测量得到的参数，采用如下公式，计算氮氧分离装置前后两端的 氧气浓度差AC、温度差Λ T、压力差Λ P AC = C2-C1 Δ T = T2-T1 ΔΡ = P2-P1; 步骤四、根据步骤三中计算得到的氧气浓度差AC、温度差ΛΤ、压力差ΛΡ，判断分子 筛中氮饱和程度，若分子筛中氮气饱和，则进行下一步，若分子筛中氮气未饱和，则返回步 骤三； 步骤五、切换两路氮氧分离装置工作状态，使还原后的一路分子膜继续氮氧分离，同时 对另一路饱和分子膜进行还原，排除其中吸附的氮气。
6. 根据权利要求5所述车用氮氧分离方法，其特征在于，步骤四中判断分子筛中氮饱 和的判断标准为：当氧气浓度差AC-定时，压力差ΛΡ大于初始压力差AP tl，且温度差ΛΤ 大于初始温度差Δ Ttl。
7. 根据权利要求5所述车用氮氧分离方法，其特征在于，步骤四中判断分子筛中氮饱 和的判断标准为：当压力差△ P-定时，氧气浓度差△ C小于初始氧气浓度差ACtl，且温度 差ΛΤ大于初始温度差ΛΤ。。
【专利摘要】本发明设计开发了一种分子膜式车用氮氧分离装置，包括涡轮增压器、氮氧分离器、进气阀门、出气阀门、负压泵、电控节流阀，所述涡轮增压器由汽车涡轮增压器中的涡轮驱动，将空气进行压缩，分别送到两路氮氧分离装置中，氮氧分离装置可将空气中的氧气进行分离，输出含氧量高的空气，经出气阀门供给发动机使用。两路氮氧分离装置交替工作，且当两路氮氧分离装置温度过高影响制氧效率时，通过控制电控节流阀开度，打开主进气管路正常提供空气，避免气路堵塞，发动机熄火。本发明所述的车用氮氧分离装置，通过两条支路交替工作，实现了向发动机不间断的提供高浓度氧气，以供燃料燃烧做功，提高燃料燃烧利用率。
【IPC分类】F02B37-00, F02M25-12, C01B13-02, B01D53-22
【公开号】CN104727990
【申请号】CN201510099103
【发明人】王军年, 刘鹏, 王治强, 王庆年, 孙娜娜, 张垚
【申请人】吉林大学
【公开日】2015年6月24日
【申请日】2015年3月6日