[发明专利]一种分子膜式车用氮氧分离装置及分离方法

说明书

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；