CN104727990A - 一种分子膜式车用氮氧分离装置及分离方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

一种分子膜式车用氮氧分离装置及分离方法

技术领域

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

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。

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。

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

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。

本发明提供的技术方案为：

一种分子膜式车用氮氧分离装置，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。

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。

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。

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。

一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：

步骤一、设定分子膜两侧初始压力差ΔP₀、分子膜两侧初始氧浓度差ΔC₀、分子膜两侧初始温度差ΔT₀；

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；

将测量得到的后端温度T₂与分子膜额定工作温度T₀进行比较，若后端温度T₂大于等于分子膜额定工作温度T₀，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

$\mathrm{\α}=K_p{E}_T\left(k\right)+K_d\frac{E_T\left(k\right)-E_T(k-1)}{\mathrm{\Δt}}$

其中，K_p是比例系数；K_d是微分系数；E_T＝T₂-T₀，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-1代表上次循环采样计算数据；Δt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T₀，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ΔC、温度差ΔT、压力差ΔP

ΔC＝C₂-C₁

ΔT＝T₂-T₁

ΔP＝P₂-P₁；

步骤四、根据步骤三中计算得到的氧气浓度差ΔC、温度差ΔT、压力差ΔP，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。

优选的是，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ΔC一定时，压力差ΔP大于初始压力差ΔP₀，且温度差ΔT大于初始温度差ΔT₀。

优选的是，步骤四中判断分子筛中氮饱和的判断标准为：当压力差ΔP一定时，氧气浓度差ΔC小于初始氧气浓度差ΔC₀，且温度差ΔT大于初始温度差ΔT₀。

本发明的有益效果是：本发明所述的分子膜式车用氮氧分离装置，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。该装置结构简单，体积小，各部分连接均为柔性连接，故易于布置，占用空间小，易于实现车内安装。同时气密性好，由于涡轮增压器起到空气压缩机的作用，发动机进气管真空度起到了抽气泵的作用，提高了分子膜两侧压力差，提高了制氧效率。另外负压泵的参与工作保证了分子膜的可靠还原，利用两路分子膜和负压泵的配合工作实现了发动机的连续供氧。由于各部分零件均易于获得，因此极大地降低制造成本与工艺难度。解决了现有氮氧分离装置体积大、制氧效率低、气密性差、制造成本高以及制造工艺复杂等技术问题。

附图说明

图1为本发明所述的氮氧分离装置原理示意图。

图2为本发明所述的发动机驱动负压泵工作结构示意图。

图3为本发明所述的分子膜式车用氮氧分离装置的分离控制器程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

如图1、图2所示，本发明提供了一种分子膜式氮氧分离装置，包括涡轮增压器101、氮氧分离器，即分子膜106、进气阀门110出气阀门107、负压泵108、电控节流阀113。其中，分子膜106的材料可为氟代聚合物、乙基纤维素、甲基硅橡胶、聚烯烃累化合物、四甲基戊烯等有机化合物。出气阀门107为三通阀门，出气阀门107的两个端口分别与两个氮氧分离器连接，另一端口连接汽车发动机109，为发动机109提供高含氧量的空气；负压泵108分别与两个氮氧分离器相连，用于排出氮氧分离器及连接管路中的气体；电控节流阀113安装在发动机主进气管路上，用以向发动机109直接提供空气。

进气阀门110为三通阀门，包括三个端口，这三个端口分别与涡轮增压器110、分子膜106、负压泵108相连，分子膜106将空气中氧气分离出后输送到出气阀门107中。

涡轮增压器101为汽车废气涡轮增压器的涡轮机，发动机109燃烧可燃混合气做功，燃烧后的废气经由排气歧管115排入排气总管后推动布置在排气总管内的涡轮增压器101的涡轮端高速旋转，以此带动同轴连接的涡轮增压器101的压气端高速旋转，将进气管内的空气加压后由柔性送气管102经中冷器114降温后，送入精密空气滤清器111。中冷器114是涡轮增压的配套件，空气进入涡轮增压器101后温度会大幅升高，密度也相应变小，而中冷器114正是起到冷却空气的作用，高温空气经过中冷器114的冷却，再进入发动机109中，有利于提高发动机109的换气效率。主进气管路连接中冷器114出口与发动机109进气入口端，如果是柴油机，则连接发动机进气道，如果是汽油机，则连接发动机节气门。额外增加的精密空气滤清器111能够将空气中的杂质和水分滤除，避免分子膜106堵塞失效。压缩空气经过精密空气滤清器111后，经由氧浓度传感器103，温度计104，压力计105，通过进气阀门110送入分子膜106。其中进气处的氧浓度传感器103，温度计104，压力计105用于检测空气在进入氮氧分离器前的温度、压力和氧气浓度。在出气阀门107和发动机之间也设置有氧浓度传感器103，温度计104，压力计105，用于检测分离后空气的温度、压力和氧气浓度。

进气阀110门一端连接分子膜106，一端连接进气端，另一端连接负压泵108。其中与分子膜106连接一侧一直开启，另外两端交替开启关闭。两侧进气三通阀110交替工作，一侧向分子膜106输送空气，另一侧由负压泵108吸气排氮。由于分子膜106有允许氧分子通过，阻止氮分子通过的特性，故当一侧分子膜106工作一定时间后，内部富氮空气会将其空间填满，使其制氧效率大幅降低，故需将该侧分子膜106中积满的氮气排出，以便分子筛106再次工作。当左侧进气阀门110连通分子膜106与前部压力计105一侧进气端时，左侧分子筛工作，进行氧提纯。此时右侧三通阀110连通分子膜106与负压泵108，主要用于抽气排氮，使分子膜106还原，以便下一个工作循环。

分子膜106包括一分子膜，具有允许氧气通过，阻拦氮气通过的特性。其工作时主要应用两侧压力差，故在进气端空气由涡轮增压器101的压气端进行加压。在出气一侧，由于分子膜106是间歇工作的，故出气阀门107也交替将两侧分子膜106开启与关闭，出气阀门107出气端连接发动机109进气端的氧浓度传感器103，温度计104，压力计105。当一侧分子膜106工作时出气阀门107连接该侧分子膜106出气端与发动机109进气端，将另一侧分子膜106的出气端关闭。高浓度氧气直接进入发动机以供燃料燃烧做功。此时负压泵108将另一侧管路中分子膜106“阻拦”的氮气吸出，使分子膜106处于还原过程，并将吸收的氮气直接排入外界空气。因此，当该装置工作时，由于出口处出气阀门107将两侧管路轮流开闭，进气三通阀110将单侧管路交替开闭，辅以负压泵108抽气，使得总有一侧分子筛106处于工作过程，另一侧分子膜106处于还原过程。使得该装置能够源源不断的向发动机提供高浓度氧。

负压泵108工作时由发动机109直接驱动。分子筛106工作一段时间后，由于分子膜106的吸附作用，其“阻拦”氮气会将分子膜106“堵死”，故需将其空间内的氮气抽出，使分子膜106还原，以便下一次工作循环。而负压泵108抽出的氮气中由于不含有害气体成分，故可直接排放入大气中。由于两侧支路进气阀门110是交替接通负压泵108的，因此当一侧进气阀门110接通负压泵108时，负压泵108抽取该支路分子膜106内氮气，此时该支路处于还原过程；另一侧进气阀门110连接进气端与该支路的分子筛106，此时该支路处于工作制氧过程。

当分子膜106的工作温度超过其额定工作温度时，分子膜106制氧效率会明显降低，严重时甚至损坏，故本发明设有直接进气管路作为发动机主进气管路，由一电控节流阀113控制该支路的开闭。当分子膜106的工作温度超出其额定工作温度时，依据分子膜工作温度与额定工作温度的差值进行比例微分控制电控节流阀的开度，由于主进气管路打开，使分子膜106停止工作，使其降温，保护了分子膜；同时打开的电控节流阀通过直接进气管路向发动机提供充足空气，避免发动机进气不畅导致熄火或功率下降。由于温度变化较为缓慢，采用比例微分控制算法可以提高该系统的快速响应能力，具体公式如下：

$\mathrm{\α}=K_p{E}_T\left(k\right)+K_d\frac{E_T\left(k\right)-E_T(k-1)}{\mathrm{\Δt}}$

其中，K_p是比例系数；K_d是微分系数；E_T＝T₂-T₀，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-1代表上次循环采样计算数据；Δt是采样周期；α为电控节流阀开度大小。

本发明还设置有分离控制器112，其根据分子膜106前后的压差、温差和浓度差，通过气体状态方程掌握气体状态来计算分子筛中氮饱和程度，氮饱和后控制出气阀门107和两个进气阀门110工作，对两个分子筛管路进行切换，让还原后的一路分子膜106继续氮氧分离，同时对另一路饱和分子膜106进行还原，排除其中吸附的氮气，两个分子膜106分离过程和还原过程不断交替，使得氮氧分离持续进行；分离控制器根据分离后的富氧空气氧浓度、压力、温度计算进气氧流量，发送给ECU，ECU控制阀门的开度；或者ECU单独采集富氧空气氧浓度、压力、温度计算进气氧流量。通过分离控制器112调节两路氮氧分离器与主进气管路的工作状态，使本装置不间断的为发动机提供高含氧量的空气，供燃料燃烧做功，提高燃料燃烧利用率。

本发明所述的分子膜式车用氮氧分离装置的分离控制器112内存入事先编好的氮氧分离装置两只路以及主进气管路切换的控制程序，如图3所示，程序具体执行步骤如下：

第一步，进行程序初始化。设定分子膜两侧压力差控制阈值ΔP₀、分子膜两侧氧浓度差控制阈值ΔC₀、分子膜两侧温度差控制阈值ΔT₀、分子膜额定工作温度T₀。

第二步，读取测量值。分别读取氮氧分离装置前端的氧浓度传感器103、温度计104、压力计105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103、温度计104、压力计105测量的后端氧气浓度C₂、后端温度T₂、后端压力P₂。

第三步，判断后端温度T₂与分子膜106额定工作温度T₀的大小。若后端温度T₂大于等于分子膜106额定工作温度T₀，则分子膜106制氧效率会明显降低，严重时甚至损坏，因此需要暂停分子膜的工作，即依据分子膜工作温度与额定工作温度的差值进行比例微分控制电控节流阀113的开度使空气不经过氮氧分离装置而直接供给到发动机109中，起到保护氮氧分离装置的作用。所述电控节流阀开度为

$\mathrm{\α}=K_p{E}_T\left(k\right)+K_d\frac{E_T\left(k\right)-E_T(k-1)}{\mathrm{\Δt}}$

其中，K_p是比例系数；K_d是微分系数；E_T＝T₂-T₀，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-1代表上次循环采样计算数据；Δt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106额定工作温度T₀，则进行下一步。

第四步，利用第二步中测量得到的参数，采用如下公式，计算氮氧分离装置前后两端的氧气浓度差ΔC、温度差ΔT、压力差ΔP

ΔC＝C₂-C₁

ΔT＝T₂-T₁

ΔP＝P₂-P₁。

第五步，判断分子筛中氮饱和程度。控制器112根据氮氧分离装置前后两端的氧气浓度差ΔC、温度差ΔT、压力差ΔP，通过气体状态方程掌握气体状态来计算分子筛中氮饱和程度。判断标准为当ΔC一定时，判断ΔP是否大于ΔP₀，且ΔT是否大于ΔT₀，或ΔP一定时，判断ΔC是否小于ΔC₀且ΔT是否大于ΔT₀。若是，则进行下一步，若否则返回第三步。

第六步，切换两路氮氧分离装置工作状态。氮饱和后控制出气阀门107和两个进气阀门110工作，对两个分子筛管路进行切换，让还原后的一路分子膜106继续氮氧分离，同时对另一路饱和分子膜106进行还原，排除其中吸附的氮气，两个分子膜106分离过程和还原过程不断交替，使得氮氧分离持续进行。

本发明提供的氮氧分离装置，利用现有的车载增压系统，根据所需氧浓度来选择分子筛厚度，来分离出富氧浓度的空气，具有体积小、结构简单、成本低、气密性好、安全高效、易于布置，可采用非刚性连接等优点。以此来解决现有技术及装置体积大，气密性差，技术及工艺复杂，对零部件要求高的问题。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (7)

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。

5.一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ΔP₀、分子膜两侧初始氧浓度差ΔC₀、分子膜两侧初始温度差ΔT₀；

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；

将测量得到的后端温度T₂与分子膜额定工作温度T₀进行比较，若后端温度T₂大于等于分子膜额定工作温度T₀，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

$\mathrm{\α}=K_p{E}_T\left(k\right)+K_d\frac{E_T\left(k\right)-E_T(k-1)}{\mathrm{\Δt}}$

其中，K_p是比例系数；K_d是微分系数；E_T＝T₂-T₀，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-1代表上次循环采样计算数据；Δt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T₀，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ΔC、温度差ΔT、压力差ΔP

ΔC＝C₂-C₁

ΔT＝T₂-T₁

ΔP＝P₂-P₁；

步骤四、根据步骤三中计算得到的氧气浓度差ΔC、温度差ΔT、压力差ΔP，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ΔC一定时，压力差ΔP大于初始压力差ΔP₀，且温度差ΔT大于初始温度差ΔT₀。

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ΔP一定时，氧气浓度差ΔC小于初始氧气浓度差ΔC₀，且温度差ΔT大于初始温度差ΔT₀。