CN2476650Y

CN2476650Y - 内燃机减氮增氧进气装置

Info

Publication number: CN2476650Y
Application number: CN 01235928
Authority: CN
Inventors: 梁荣光; 何文韶; 简弃非
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2001-05-22
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2002-02-13
Anticipated expiration: 2011-05-22

Abstract

本实用新型是内燃机减氮增氧装置,它由空气滤清器、风机、减氮增氧器、氮气过滤管、氧含量传感器、低氧空气排出阀、发动机进气总管及岐管、数据处理控制器、空气直通阀连接构成,其连接关系:滤清器与减氮增氧器带风机弯管前端连接,后端装风机,风机电机固装于弯管背上,弯管后端通过法兰与直管段连接,直管段安装氮气过滤管,直管段封闭截面中央固装空气直通阀,氮气过滤管伸出直管外管段与低氧空气排出阀连接,控制器分别与空气直通阀及低氧空气排出阀相接。本装置能减氮增氧、使内燃机燃烧充分、发出更大功率、既节能又减少污染、有利环保。

Description

内燃机减氮增氧进气装置

本实用新型是内燃机减氮增氧进气装置，属内燃机技术设备。

内燃机是一种热能动力机械。燃料(液态或气态燃料)与空气的混合物在汽缸内燃烧(用火花塞点燃或压燃)，燃料的化学能转化为热能，通过膨胀推动活塞连杆曲轴，对外输出机械功。在现有的内燃机技术中，常碰到因空气量不足，燃烧不好，令功率不足，排放中NOx等污染物含量高的问题。由于国产内燃机的高能耗高污染的落后状况，使我国的动力机械工业和汽车工业的发展受到极大的限制。内燃机燃料燃烧技术中的空气不足实际是氧气不足，众所周知，空气中氮占78％，氧只占21％。因此，在原有的进气装置上，人们想尽办法向有限的气缸容积中增大进气量(空气量)，实际上，氧气量增加不多，而氮气量却增加非常多，因此这传统的增大进气缸空气量的技术，其增氧效果相对并不明显，却要导致内燃机排放中的NOx增多。因为在气缸内出现燃烧高温时，氮气多就增大了与氧气结合为NOx的机会，使NOx增多，增大了对环境的污染。传统内燃机的进气，如果不用增压的方式提高空气压力，以增大进气量，就不能使更多燃料充分燃烧，发出更大功率；或由于空气量不够(即氧气量不够)，常造成燃烧不完善，既增加能耗，也增大排气污染。现已查明，城市大气中的污染物中近80％来自车辆的尾气，即内燃机的排放。车辆是在路上行驶的，路面灰尘很大，因此车辆发动机的工作环境是非常恶劣的。即使采用了高位进气(避免路面飞扬的尘土和前面车辆的排放污染)，但还是要使用加强型的空气滤清器，这使空气流通阻力变大，使输进气缸的空气量更少，氧气量更少，其恶性循环使得燃烧更加变坏，排放污染更严重，能耗更高。汽车工业的迅猛发展，一方面给世人生活和工作带来了巨大的方便，另一方面却引发了与人类生存环境相关的系列矛盾，其中最重要的是车辆的排放污染严重破坏着人类的生态环境，而能耗高又加速了石化能源的枯竭，这些矛盾随着时间的推移将愈演愈烈。

本实用新型的目的就是为了克服和解决现有的内燃机燃烧设备因空气不足、燃烧不充分、功率不足、能耗高、排放的NOx污染大气、污染人类生态环境、加速石化能源的损耗、影响汽车工业的发展等的缺点和问题，研究设计一种内燃机减氮增氧进气装置，以便能够革新车用发动机的进气设备，在进气过程中减氮增氧，使内燃机燃烧设备进行一场革命，使我国汽车工业的发展出现一次大飞跃，在一定程度上摆脱长期以来受制于人的困境。本实用新型利用“聚砜”高分子有机材料或其他功能相同的材料做成一种空气组份筛选装置，以尽可能多地让氧气通过而阻碍氮气通过，达到减氮增氧的目的，从而实现气缸能多进氧气，使得燃烧更完善，发出更大功率，既节能又可减少排放污染，保护人类生态环境。

本实用新型是通过下述技术方案实现的：本内燃机减氮增氧进气装置的结构示意图如图1所示，其数据处理控制器电路方框图如图2所示，其数据处理控制器电路原理图如图3所示；其数据处理控制程序流程方框图如图4所示。本内燃机减氮增氧进气装置由空气滤清器1、风机2、减氮增氧进气器3、封闭截面4、氮气过滤管5、氧含量传感器6、低氧空气排出阀7、发动机进气总管8、氧含量传感器9、发动机进气岐管10、数据处理控制器11、空气直通阀12共同连接构成，其相互连接关系为：空气滤清器1通过法兰与减氮增氧进气器3带风机2的弯管段的前端相连接；在该弯管段的后端面安装风机2，风机2的电动机用螺钉固定安装于该弯管段的弯曲背面上，弯管段的后端面通过法兰与减氮增氧进气器的直管段连接，直管段安装有氮气过滤管5；直管段的封闭截面4与直管段焊接连成一体；封闭截面4中央开孔处用螺钉固定空气直通阀12，通过阀门的启闭，让普通空气通过中央开孔直接进入进气总管8或截止它不让进入；封闭截面4的其他开孔安装氮气过滤管5，氮气过滤管5的一端用端面法兰与封闭截面4上对应的开孔连接并用螺钉固定，另一端则伸出直管外(伸出处用填料密封或焊接密封)通过法兰与低氧空气排出阀7相连接；感应氮气过滤管管内空气氧含量的氧含量传感器6用螺钉固定在氮气过滤管5伸出直管外的管段上并通过数据信号电缆线与数据处理控制器11相连接；数据处理控制器11通过控制信号线与低氧空气排出阀7相连接；氧含量传感器9用螺钉固定在发动机进气总管8上，并通过数据信号电缆线与数据处理控制器11相连接，数据处理控制器11通过控制信号线与空气直通阀12相连接；减氮增氧进气器3直管段的末端用法兰与发动机进气总管8连接，发动机进气总管8再通过法兰与发动机进气岐管10相连接；其中：数据处理控制器电路由发动机进气总管氧含量传感器、氮气过滤管氧含量传感器、A/D转换器A、B、发动机进气总管内氧含量o₂″标准预置器、氮气过滤管内氧含量o₂′标准预置器、比较器A、B、微处理器CPU、功率驱动器A、B、显示驱动器共同连接构成，其相互连接关系为：A/D转换器A分别通过氧含量数据信号线、数字数据信号线分别与发动机进气总管氧含量传感器、比较器A相电气连接；A/D转换器B分别通过氧含量数据信号线、数字数据信号线分别与氮气过滤管氧含量传感器、比较器B相电气连接；比较器A、B分别通过氧含量信号线分别与发动机进气总管内氧含量o₂″标准预置器、氮气过滤管内氧含量o₂′标准预置器相电气连接；微处理器CPU分别通过比较器输出信号线，控制数据信号线分别与比较器A、B、功率驱动器A、B、显示驱动器相电气连接；功率驱动器A、B分别通过驱动信号线分别与空气直通阀12、氮气过滤管低氧空气排出阀7相电气连接。其中：A/D转换器由模拟信号放大器集成件IC6、模数转换器IC5、电阻R₁～R₄、电容C₁～C₄共同电气连接构成；o₂′及o₂″标准预置器由储存器IC2、IC4构成；比较器A、B分别由IC3、IC4构成；功率驱动器A、B由电压放大器IC7及功率驱动器SSR₁、SSR₂电气连接构成；显示驱动器由IC7构成。

本内燃机减氮增氧进气装置的减氮增氧原理及控制过程如下：当发动机工作时，机外空气经空气滤清器1过滤后，经减氮增氧进气器3进入发动机进气总管和进气岐管，最后进入气缸，与燃料混合好后燃烧并发出功率；空气滤清器把空气中的杂质滤掉，干净空气在风机的作用下，被压入各氮气过滤管，在风机的压送和发动机的抽吸下，空气从氮气过滤管渗滤出来进入进气总管，由于氮气过滤管仅让氧气顺利通过而抑制氮气的通过，这样，经过氮气过滤管处理后进入进气总管的空气的氧气含量大大增加，就能充分燃烧燃料发出更大的功率，让原来因空气不足燃烧不理想造成能耗高、排污严重的发动机真正实现完全燃烧达到节能与环保的目的；氮气过滤管内的空气，由于大量氧气走了，大量的氮却留下来，因此含氧量就变得很低，当氮气过滤管中的氧含量传感器感知氧含量低至某规定值时发出信号，信号通过数据处理控制器处理后，就会接通氮气过滤管末端的低氧空气排出阀的电源将阀打开，将过滤管内严重缺氧的“旧空气”排到进气总管外的大气中，而经过滤清器过滤的新鲜空气，马上进入氮气过滤管，继续进行减氮增氧的处理；由于氮气过滤管的工作是间歇性的，又因不同时刻或不同氮气过滤管的减氮增氧工作不一定能平衡，这就使得进气总管里的空气中的含氧量出现波动，过大的波动就会明显影响发动机的性能，使发动机发出的功率不稳定，因此，让装置在进气总管内的氧含量传感器9和空气直通阀12配合作用，对进气总管的空气的含氧量进行“稳定”调整；当氧含量偏高时，空气直通阀12通电，空气直通阀12带动的进气阀门打开，让普通空气经该阀门直接进入进气总管，对进气总管内的空气氧含量进行稀释，反过来就关掉空气直通阀12，让进气总管内的空气进行氧含量加浓，从而保持总管内的空气的氧含量大体一致，保证内燃机工作性能稳定；其数据处理控制器的控制过程是总管氧含量传感器测量数据和氮气过滤管氧含量传感器的测量数据分别由Vi1和Vi2微输入到IC6的两通道放大器放大到0～5伏幅度的信号电压，然后分别从两个通道IN1和IN2输入到IC5，转换成相应的数字量存入到对应的储存器中；微处理器CPU根据预先编好的软件程序把预置于存储器内的进气总管氧含量的设定值(标准值)和氮气过滤管氧含量的设定值(标准值)分别与相应的被测值进行比较，判断实时值是否超出于设定值(标准值)，若超出设定值则分别输出相应的信号，经IC7、电压放大和SSR1和SSR2功率驱动，分别从OUT1和OUT2输出到相应的电磁阀，使电磁阀作相应的动作(打开或关闭)，从而控制氧含量参数；LED是故障状态显示器，当数据处理控制器内电路出现故障而不能正常工作时，会自动输出高电平信号，由LED发光显示有故障；其关键控制环节是在对两个测量点含氧量的准确检测的基础上，对检测结果进行快速准确的比较运算，将运算结果变成相应的开闭时间来控制进气含氧量的稳定度，从而使发动机能可靠平稳地运行。

本实用新型与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：(1)使用本实用新型，可使空气进入气缸前能把空气中的氮气量减少，使进入气缸的空气的氧含量大大增多，就能使内燃机的燃料燃烧更充分，发出更大功率，使车辆真正实现节能与环保；(2)由于使用本装置，使进入气缸的空气中的氮气量明显减少，因此在燃烧高温中生成的NOx相应就会减少，这对降低内燃机的排污非常有利；(3)应用本实用新型，可使内燃机的进气含氧量明显增多，因此可使同一台发动机一个循环内燃烧更多燃料，明显地提高功率，并取得明显的环保节能效果。经过减氮增氧处理后，进气总管里的空气的含氧量若由平常的21％提高到29％，氮气的含量就由平常的78％降为70％，由于氧含量增多近40％，故内燃机的功率可提高近40％，排放的NOx则可降低12％左右，含氧量提高能极大地改善燃烧，则排放的碳烟、CH化合物和CO就可大幅度降低，取得极其明显的节能与环保效果；(4)城市中的在用车，今后的燃料会由油转为燃料气，即改用天然气用以降低其排放对环境的污染，但使用气体燃料后，若仍用原来的进气装置，则充气量就会减少(实质是氧含量减少)而使发动机的功率下跌，一般要减少10％以上，从而使车辆爬坡困难，超车无力，这是一种隐藏着许多危险的技术状态。而配用上本减氮增氧进气装置，就可轻易地补足所缺的氧气量，从而能克服这个困难，排除隐藏的危险。

下面对说明书附图进一步说明如下：图1是内燃机减氮增氧进气装置的结构示意图；图2是内燃机减氮增氧进气装置的数据处理控制器电路方框图；图3是内燃机减氮增氧进气装置的数据处理控制器电路原理图；图4是其数据处理控制程序流程方框图。图2中IC4的A₀～A7端分别与IC2的Q₀～Q7端分别对应相连接。

本实用新型的实施方式可为如下：(1)按图1所示，设计、加工、制造或选购各部件。如空气滤清器1可选用135型或492型空气滤清器；风机2或可选T4——72NO3A中国产风机；减氮增氧进气器3管壳用普通35#碳钢制造；封闭截面用普通35#碳钢制造；氮气过滤管可用“聚砜”制造；氧含量传感器6、9可用氧化锆(ZrO₂)材料制造；低氧空气排出阀7及空气直通阀12可选用MFZ1型电磁阀；发动机进气总管8和发动机进气岐管10可选用普用碳钢管；(2)按图2及图3所示绘制数据处理控制器电路板，然后筛选元器件进行安装电路板，如IC1可选8031等51系列单片机；IC2可选74LS373存储器；IC3可选6116读写存储器；IC4可选2732只读存储器；IC5可选ADC0809模数存贮器；IC6可选LM358模拟信号放大器；IC7可选4069倒相驱动器；功率驱动器SSR1和SSR2可分别选用SR-101型和SR-102型。筛选好上述部件后，可按图2、图3所示进行安装连接电路板；(3)按图4所示编写软件程序并存入对应的存储器中，然后经加电简单调试电路板，装入数字处理控制器盒内；(4)按图1所示，并按上面说明书所述的各部件相互连接关系进行安装连接便能较好地实施本装置；然后把本装置与发动机连接，即将减氮增氧装置通过两端法兰分别与空气滤清器1和进气总管8连接好，接通风机2和数据处理控制器11的电源，让减氮增氧进气装置先起动工作，再起动发动机。工作时，空气由滤清器1去掉空气中的灰尘杂质，由风机2压入氮气过滤管5，氧气顺利滤出进入进气总管8而氮气部分被阻留在氮气过滤管内，于是进气总管的空气的氧含量大大提高了；氮气过滤管内空气的含氧量降低至某程度，氧含量传感器6输出信号经过微处理器处理，打开低氧空气排出阀7排出该管内氧含量已很低的“旧空气”，入口端就流入新鲜空气，继续进行减氮增氧的技术处理，进气总管8内空气的氧含量波动不能太大，过大就会使发动机性能不稳定，因此进气总管8内的氧含量要控制；为此，让布置在进气总管8的氧含量传感器9与空气直通阀12配合作用，当进气总管8内氧含量偏高时，氧含量传感器9的信号通过数据处理控制器11让空气直通阀12通电打开，让普通空气直接进入进气总管8，对进气总管内空气的高含氧量进行“稀释”，反过来，空气直通阀12关闭，让进气总管内的空气的氧含量“加浓”，从而保持进气总管内空气含氧量的大体稳定，使发动机性能稳定。发明人经过多年研制和试验，已成功制造出样机并连接于本教研室的汽车上进行试验，试验结果非常理想，完全能达到减氮增氧的目的，从而使汽缸能多增氧气，使燃烧更完善，发出更大功率、既节能又减少了尾气排放污染、保护环境。

Claims

1、一种内燃机减氮增氧进气装置，其特征在于：它由空气滤清器(1)、风机(2)、减氮增氧进气器(3)、封闭截面(4)、氮气过滤管(5)、氧含量传感器(6)、低氧空气排出阀(7)、发动机进气总管(8)、氧含量传感器(9)、发动机进气岐管(10)、数据处理控制器(11)、空气直通阀(12)共同连接构成，其相互连接关系为：空气滤清器(1)通过法兰与减氮增氧进气器(3)带风机(2)的弯管段的前端相连接；在该弯管段的后端面安装风机(2)，风机(2)的电动机用螺钉固定安装于该弯管段的弯曲背面上，弯管段的后端面通过法兰与减氮增氧进气器(3)的直管段连接，直管段安装有氮气过滤管(5)；直管段的封闭截面(4)与直管段焊接连成一体；封闭截面(4)中央开孔处用螺钉固定空气直通阀(12)，通过阀门的启闭，让普通空气通过中央开孔直接进入进气总管(8)或截止它不让进入；封闭截面(4)的其他开孔装氮气过滤管(5)，氮气过滤管(5)的一端用端面法兰与封闭截面(4)上对应的开孔连接并用螺钉固定，另一端则伸出直管外通过法兰与低氧空气排出阀(7)相连接；感应氮气过滤管管内空气氧含量的氧含量传感器(6)用螺钉固定在氮气过滤管(5)伸出直管外的管段上并通过数据信号电缆线与数据处理控制器(11)相连接；数据处理控制器(11)通过控制信号线与低氧空气排出阀(7)相连接；氧含量传感器(9)用螺钉固定在发动机进气总管(8)上，并通过数据信号电缆线与数据处理控制器(11)相连接，数据处理控制器(11)通过控制信号线与空气直通阀(12)相连接；减氮增氧进气器(3)直管段的末端用法兰与发动机进气总管(8)连接，发动机进气总管(8)再通过法兰与发动机进气岐管(10)相连接；其中数据处理控制器电路由发动机进气总管氧含量传感器、氮气过滤管氧含量传感器、A/D转换器A、B、发动机进气总管内氧含量o₂″标准预置器、氮气过滤管内氧含量o₂″标准预置器、比较器A、B、微处理器CPU、功率驱动器A、B、显示驱动器共同连接构成，其相互连接关系为：A/D转换器A分别通过氧含量数据信号线、数字数据信号线分别与发动机进气总管含量传感器、比较器A相电气连接；A/D转换器B分别通过氧含量数据信号线、数字数据信号线分别与氮气过滤管氧含量传感器、比较器B相电气连接；比较器A、B分别通过氧含量信号线分别与发动机进气总管内氧含量o₂″标准预置器、氮气过滤管内氧含量o₂′标准预置器相电气连接；微处理器CPU分别通过比较器输出信号线，控制数据信号线分别与比较器A、B、功率驱动器A、B、显示驱动器相电气连接；功率驱动器A、B分别通过驱动信号线分别与空气直通阀(12)、氮气过滤管低氧空气排出阀(7)相电气连接。