一种机动车发动机供气装置的制作方法

本专利涉及一种提高机动车发动机燃烧功率的技术，更具体的说是一种机动车发动机供气装置。

背景技术：

在现代社会，机动车的发动机的燃烧不充分给大气环境造成了严重污染，造成有限的石油资源的过快消耗，使人类面临严重的能源危机，为此，如何节约能源、提高发动机的燃烧性能和保护环境是汽车行业面临的重大问题。

但是，现有的发动机都是采用吸入空气来助燃，而空气中仅含有21%的氧气是能提供助燃效果，剩余的气体绝大部分都不助燃，使得发动机的燃烧效率低，排放污染大。因此，专利号为201620765684.9的专利公开了一种车用发动机可控富氧进气系统，包括进气管路、变压吸附制氧装置、电控单元及各型传感器和阀。变压吸附制氧装置制备出纯氧后，由氧气罐进行存储，然后通过与氧气罐相连的氧气旁通管路输入到发动机进气总管中，与自然进气进入的空气混合后实现供气。上述方法通过配备一个氧气罐的方式来确保输入到发动机的气体的氧气含量高，但是上述可控富氧进气系统是要与发动机搭配使用，专门配备一个氧气罐容易引起爆炸发生，存在巨大安全隐患。

现有技术中也存在向发动机供应富氧空气的技术，不过现有技术中很多技术仅仅是提出了该概念，并未涉及具体适用的发动机的功率的匹配。在现有的汽车发动机设计已经十分成熟，不同功率的发动机对应不同燃料（如汽油、柴油等）的供气效率及燃烧效率均经过严格计算，如果无针对性的盲目供应富氧空气，不仅达不到提高燃烧效率的效果，而且会对发动机带来严重的损伤。

技术实现要素：

本专利所要解决的技术问题在于克服现有技术的缺陷，提供一种能够直接安装到机动车上提高发动机燃烧效率，且能够避免氧气大量聚集的安全隐患的一种机动车发动机供气装置。

本专利通过以下技术方案实现上述发明目的。

本专利设计了一种机动车发动机供气装置，用于与发动机进气口连接，用于提高发动机进气的含氧量，包括空气压缩装置、冷却装置、油水分离装置、切换装置、控制装置、电力供应装置以及第一和第二吸附分离装置，上述装置安装在一独立壳体内，所述壳体具有进风口和富氧空气输出通道，所述富氧空气输出通道连接发动机进气口，其中所述空气压缩装置、冷却装置、油水分离装置、切换装置以及第一吸附分离装置依次连接形成第一气路；所述空气压缩装置、冷却装置、油水分离装置、切换装置以及第二吸附分离装置依次连接形成第二气路；第一和第二吸附分离装置连接富氧空气输出通道，所述控制装置控制切换装置交替连通油水分离装置和第一或第二吸附分离装置，第一和第二吸附分离装置轮流使用使第一和第二气路轮流向发动机供气。

本专利通过第一和第二气路轮流切换的方式，直接向发动机进行富氧空气供气，第一和第二吸附分离装置采用吸附分离原理对空气中的氮气进行吸附，无法连续输出吸附了氮气后的富氧控制，轮流工作的方式能够保证向发动机富氧空气的连续供气，无需进行存储，富氧空气生成以后即输入到发动机中进行燃烧，因此消除了大量的氧气聚集的隐患，提高了设备的安全性，更具有实用性。

由于本专利装置是安装在机动车上进行使用的，随机动车一起行进，合理的配置各个装置的安装位置和箱体的结构，能够优化设备运行的稳定性。在本专利中所述壳体呈箱式结构，内部包括两个分区，所述空气压缩装置、冷却装置、油水分离装置、控制装置和切换装置安装在第一分区内，吸附分离装置呈筒形，并列安装在第二分区内，所述进风口设置在第一分区一侧，所述富氧空气输出通道设置在第二分区一侧。所述第一分区包括上下排列的两个子区，所述空气压缩装置、油水分离装置和切换装置安装在下子区，所述冷却装置和控制装置安装在上子区，所述进风口设置在上子区。各种装置的大小和运行状态及环境均不同，空气压缩装置总量较大，工作时震动较大，将其设置在下子区中能够提高整体的稳定性。两个吸附分离装置体积较大，采用筒形结构并设置在第二分区内能够使其具有最大化效用时占用空间最小，并且可以第一分区中的空气压缩装置平衡重量。控制装置属于比较脆弱的电路结构，冷却装置需要温度隔离，所以将该两者放置在上子区能够对控制装置起到保护，提高冷却装置的冷却效率。

冷却装置需要冷热分离，以提高其冷却效率，因此上下排列的两个子区之间的隔板设有空气流通口，所述冷却装置包括气冷管盘结构和气冷风扇，所述气冷管盘结构设置于空气流通口上，气冷风扇设置于气冷管盘结构上方，带动空气从上子区通过气冷管盘和空气流通口流向下子区。所述进风口设置有进气风扇，所述空气流动方向从上子区通过进气风扇吸入，由气冷风扇带动流过冷管盘结构通过空气流通口流向下子区。合理的设置进气风扇和气冷风扇带动空气的流向，使得上子区形成冷区，下子区形成热区，这样符合各个装置的运行和使用属性，提高了整体工作效率，保证工作的稳定性。

本专利的切换装置为两位四通阀，通过电控阀门的结构能够实现第一气路和第二气路的快速切换，实现富氧空气供气的无缝切换。该两位四通阀具有两个工作位和进气口、排气口、第一和第二连接口四个接口，油水分离装置连接进气口，第一和第二连接口分别连接第一和第二吸附分离装置，并设有排气管将排气口连接至壳体外侧；当控制装置控制两位四通阀当处于第一工作位时，第一气路进气导通，第二气路进气关闭，第二吸附分离装置与排气口连通；当控制装置控制两位四通阀当处于第二工作位时，第二气路进气导通，第一气路进气关闭，第一吸附分离装置与排气口连通。

通过空气压缩装置收集外界大量的空气并将其泵送到冷却装置进行冷却，降低气体的温度，接着气体进入到油水分离装置中进行油水分离，避免杂质进入到吸附分离装置中对装置造成损坏。然后气体在两位四通阀的作用下每隔一段时间进入到不同的吸附分离装置，当气体泵入到吸附分离装置时，气体发生分离，氮气被吸附，氧气从吸附分离装置的富氧空气输出通道输送出去。相应地，两位四通阀也会让不工作的吸附分离装置与排气口连接，由于吸附分离装置内部压力高而外界压力低，所以在压力作用下，氮气从吸附分离装置的进气口向外排出。本专利通过两个吸附分离装置轮流交替使用，使得吸附分离装置可以不间断地供应富氧空气。

本专利应用于机动车上是对现有车辆的改装，因此需要考虑其改装的可行性，即要在保证富氧空气供气效率的前提下，尽可能的减小所占用的体积。由此，本专利的吸附分离装置采用分子筛吸附分离装置，所述分子筛为13X分子筛，孔径为10-7mm，堆密度为600-700Kg/m³，比表面积为800-1000m²/g，孔隙率为45-55%，供气装置的体积为2.5*10⁴-4.5*10⁴cm³，电力供应装置为与机动车供电源连接的接头机构。采用13X分子筛的能够保证氮气吸附效率和还原效率满足供气需求，体积也符合设备小型化的要求。另外，本专利不再使用独立电源供电，直接采用机动车供电电源，这样不仅简化了电力供应装置，也减轻了整体的重量，避免了大功率电池安全隐含。

由于空气中氮气占比将近70%，经过分子筛分离后的供气体积将远小于发动机所需的进气量，由此本专利的富氧空气输出通道通过旁路管道连接发动机进气管，富氧供气进气量为40L/min-200L/min，富氧供气含氧量60%以上。通过旁路供气的方式保证了发动机的进气量，含氧量要求保证了燃烧效率的提高。

富氧供气进气量的设计，一方面考虑到现有氮气吸附分离材料的处理效率，另一方面考虑到发动机充分燃烧的效果及对发动机结构疲劳性的冲击，不是盲目的提供无限量的富氧空气。基于上述前提，发明人对现有主流大功率发动机的燃烧功率、主流燃料在这些发动机中充分燃烧的效果和可提高的燃烧率值进行充分的调查，并对现有氮气吸附分离材料的吸附效率和还原效率进行调查，综合考虑成本、效率和安全性等因素，设计富氧供气进气量与大功率发动机的配比。

所述空气压缩装置为气泵，气泵功率与发动机功率呈以下对应关系：

所述发动机的功率为340-420马力时，气泵功率为180-220w，压缩空气的压力为1.8-2.2公斤；

所述发动机的功率为420-500马力时，气泵功率为240-280w，压缩空气的压力为3.6-4.0公斤；

气泵压缩空气的进气量与发动机功率呈以下对应关系：

所述发动机的功率为340-420马力时，压缩空气的进气量为45L/min-90L/min；

所述发动机的功率为420-500马力时，压缩空气的进气量为85L/min-110L/min；

所述发动机的功率为500-600马力时，压缩空气的进气量为101L/min-150L/min。

本专利针对现有主流大马力发动机的马力涉及，具有针对性的设计富氧供气时压缩空气的进气量，一方面能够提高发动机的燃烧效率，减少燃料浪费，另一方面考虑发动机的疲劳极限，避免富氧空气在参与燃烧时，对发动机的带来的损伤，相对于现有技术中所提出的富氧供气概念，更具有实际应用意义。

相比起现有技术，本专利采用直接供应富氧空气的方式，避免储气罐存在大量氧气聚集的安全隐患，使得该技术能够对现有机动车进行技术改造具有实际应用价值。针对特定发动机的功率进行富氧供气量的设计，在保证提高燃烧效率的同时，尽量减少对发动机的损害。本专利通过不止一个吸附分离装置轮流交替使用，使得吸附分离装置可以不间断地供应富氧空气。准确控制每个吸附分离装置的单次使用时长为6秒，确保在使用时长的范围内，氮气的吸附量低于吸附分离装置的穿透吸附量的同时也能确保其它吸附分离装置不工作时，有足够的时间将氮气排出，避免氮气残留在吸附分离装置中。

附图说明

图1为本专利实施例的结构示意图。

图2为该实施例的空气流动原理图。

图3为图1的空气流动示意图。

图4为吸附分离装置和切换装置工作状态一示意图。

图5为吸附分离装置和切换装置工作状态二示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本专利讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本专利权利要求书所限定的范围。

结合图1和图2所示，本实施例提供一种机动车发动机供气装置，与发动机（图中未示出）进气口连接，用于提高发动机进气的含氧量，其结构包括空气压缩装置100、冷却装置200、油水分离装置300、切换装置400、控制装置500、电力供应装置600以及第一和第二吸附分离装置700/800，上述装置安装在一独立壳体900内，所述壳体900具有进风口915和富氧空气输出通道916，所述富氧空气输出通道916连接发动机进气口，电力供应装置600与机动车供电电源连接，主要向空气压缩装置100、冷却装置200和控制装置500提供电力供应，控制装置500除了控制切换装置400外，还负责控制空气压缩装置100和冷却装置200的运行控制，如图2中虚线所示。

其中所述空气压缩装置100、冷却装置200、油水分离装置300、切换装置400以及第一吸附分离装置700依次连接形成第一气路；所述空气压缩装置100、冷却装置200、油水分离装置300、切换装置400以及第二吸附分离装置800依次连接形成第二气路；第一和第二吸附分离装置700/800连接富氧空气输出通道916，所述控制装置500控制切换装置400交替连通油水分离装置300和第一或第二吸附分离装置700/800，第一和第二吸附分离装置700/800轮流使用使第一和第二气路轮流向发动机供气。

结合图2和图3所示，所述壳体900呈箱式结构，内部包括左右并列的第一分区910和第二分区920，所述第一分区910包括上下排列的上子区911和下子区912，所述空气压缩装置100、油水分离装置300和切换装置400安装在下子区912，所述冷却装置200和控制装置500安装在上子区911，所述进风口915设置在上子区911，第一或第二吸附分离装置700/800呈筒形，并列安装在第二分区920内，所述富氧空气输出通道916设置在第二分区920一侧。上子区911和下子区912之间的隔板913设有空气流通口914，所述冷却装置200包括气冷管盘结构和气冷风扇，所述气冷管盘结构设置于空气流通口914上，气冷风扇设置于气冷管盘结构上方，所述进风口915设置有进气风扇917，所述空气流动方向从上子区911通过进气风扇917吸入，由气冷风扇带动流过冷管盘结构通过空气流通口914流向下子区912，如图3中实线箭头所示。

所述空气压缩装置为气泵，根据不同的发动机功率，气泵的参数与发动机功率呈以下对应关系：

所述发动机的功率为340-420马力时，气泵功率为180-220w，压缩空气的压力为1.8-2.2公斤，压缩空气的进气量为45L/min-90L/min；

所述发动机的功率为420-500马力时，气泵功率为240-280w，压缩空气的压力为3.6-4.0公斤，压缩空气的进气量为85L/min-110L/min；

所述发动机的功率为500-600马力时，气泵功率为300-340w，压缩空气的压力为4.3-4.7公斤，压缩空气的进气量为101L/min-150L/min。

所述吸附分离装置采用分子筛进行吸附分离，所述分子筛为13X分子筛，孔径为10-7mm，堆密度为600-700Kg/m³，比表面积为800-1000m²/g，孔隙率为50%，磨损率大于90%，每个吸附分离装置的分子筛用量最佳控制在0.2-10Kg之间。比如采用两个吸附分离装置，用于普通中型货运车辆上，优选每个吸附分离装置安装的13X分子筛的重量在0.5-3Kg之间，用于大型货运车辆上，重量在1-5Kg之间。经过分子筛过滤后的富氧控制含氧量不低于60%，最佳控制在80%以上。

具体的工作步骤结合图2和图3所示：进气风扇917吸入冷空气上子区911，然后由气冷风扇带动流过冷管盘结构的管盘间隙，通过空气流通口914流向下子区912，同时带走冷管盘结构的热量。

空气压缩装置100对空气进行压缩，达到合适的压力，空气经过压缩之后温度升高，空气压缩装置100输出的高温压缩空气需从冷管盘结构内部流过，通过气冷方式进行降温，温度下降后的压缩空气再输出到油水分离装置300。

经过油水分离装置300的压缩空气中不含液体，不会影响分子筛材料的氮气吸附效能。两个吸附分离装置通过切换装置400切换，轮流吸附并分离空气中的氮气，未进行吸附的吸附分离装置进行还原，解吸出氮气，氮气直接排出到壳体900外侧，以免影响壳体900内的空气的含氮量，吸附分离装置吸附分离氮气得到的富氧空气输送到发动机。

所述切换装置400为两位四通阀，具有两个工作位I和II和进气口410、排气口420、第一接口430和第二连接口440四个接口，油水分离装置300连接进气口410，第一接口430连接第一吸附分离装置700和，第二连接口连接第二吸附分离装置800，并设有排气管将排气口连接至壳体900外侧。

当控制装置500控制两位四通阀当处于第一工作位I时，如图4所示，第一气路进气导通，第二气路进气关闭，第二吸附分离装置800与排气口420连通。此时压缩空气从进气口410进入第一吸附分离装置700，如图中实线箭头所示，第一吸附分离装置700吸附压缩空气中的氮气，并输出富氧空气。第二吸附分离装置800不工作，由于通过排气口420与外界连通，内部吸附的高压氮气，在压力差作用下解析出来，通过排气口420逆向排出，如图中虚线箭头所示，实现分子筛的还原。

当控制装置500控制两位四通阀当处于第二工作位II时，如图5所示，第二气路进气导通，第一气路进气关闭，第一吸附分离装置700与排气口420连通。此时压缩空气从进气口410进入第二吸附分离装置800，如图中实线箭头所示，第二吸附分离装置800吸附压缩空气中的氮气，并输出富氧空气。第一吸附分离装置700不工作，由于通过排气口420与外界连通，内部吸附的高压氮气，在压力差作用下解析出来，通过排气口420逆向排出，如图中虚线箭头所示，实现分子筛的还原。

本实施例通过两个吸附分离装置轮流交替使用，使得吸附分离装置可以不间断地供应富氧空气。更关键的在于，每个吸附分离装置的单次使用时长为4-8秒，在使用时长的范围内，能确保氮气的吸附量低于吸附分离装置的穿透吸附量，绝大部分的氮气被吸附分离装置所吸附，保证输出的气体的含氧量高。同时也能确保其它吸附分离装置不工作时，有足够的时间将氮气排出，避免氮气残留在吸附分离装置中。

而且本实施例考虑到不同功率的发动机对于压缩空气的流量以及其中的含氧量的需求量不同，针对市面上不同的发动机的功率，为其配制特定的压缩空气的压力以及流量，确保压缩空气能顺利输入到发动机的同时压缩空气的进气量也能满足不同功率的发动机的需求。一方面避免输入压缩空气的流量过少达不到提高发动机效率的作用，另一方面也限制压缩空气的输入量以及含氧量，防止输入的压缩空气过多，其含氧量过高，导致发动机效率过高而烧坏。

考虑到供气量和现有的分子筛材料过滤效率，以及电控阀门的切换的效率，本实施例所述第一吸附分离装置与第二吸附分离装置的交替间隔时长少于1秒；第一吸附分离装置吸附氮气获取富氧空气时，所述第二吸附分离装置向外界排出氮气，第二吸附分离装置吸附氮气获取富氧空气，所述第一吸附分离装置向外界排出氮气。第一吸附分离装置与第二吸附分离装置交替工作的方式，能够实现富氧供气的连续性。为保证在交替过程中满足发动机的工作，交替间隔时长应当少于1秒，通过电控阀门切换，交替时间越短越好，结合现有的电控技术成本、发动机的供气频率，控制在0.001-1秒之间。

显然，本专利的上述实施例仅仅是为清楚地说明本专利所作的举例，而并非针对本专利保护范围的具体限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本专利权利要求的保护范围之内。