发动机进气空气分离系统

摘要 本文提出一种高效降低发动机有害物排放的空气分离技术。

关键词 发动机；进气空气；分离系统

中图分类号U464文献标识码A文章编号 1674-6708（2011）35-0058-02

1 背景技术

汽车尾气有害物排放，对汽油机有CO、HC和NOx；对柴油机而言，除CO、HC、NOx外，还有微粒和烟度。而这些尾气排放物的生成直接与发动机的燃烧过程有关。为了减少发动机的各种有害物排放，目前有很多控制方式，如氧化催化转化装置、还原催化转化装置、三元催化转化装置、稀薄NOx催化转化装置以及EGR系统等，虽然这些措施在一定程度上减少了部分有害气体的排放，但是在空燃比、可靠性、耐久性等方面存在诸多缺陷。例如，EGR系统已经成为降低柴油机NOx排放量的有效技术措施，但在大、中型柴油机上的应用仍受到耐久性和可靠性的影响，并且实施较大的EGR率也带来了燃油消耗率和黑烟恶化等问题。

从上述的现有技术中不难看出，目前减少发动机尾气有害气体排放的是措施，或是利用催化转换装置或是控制燃烧，而尾气有害气体排放物的生成直接与发动机的燃烧过程有关。但这些措施都是在复杂的燃烧过程中产生了有害气体之后才采取的。均不能从根本上解决发动机尾气有害气体的排放问题。为克服背景技术中的不足，本文的目的在于提供一种在发动机进气环节的空气分离系统，该系统将吸入其内的空气分离成氮气和富氧气体，氮气排入大气，富氧气体与燃料混合供入气缸燃烧或者通过进气道进入气缸并与气缸内燃料燃烧，这样氮气不参与燃烧过程，也就抑制了NOx的生成，所以不需再采取催化转化装置或控制燃烧等措施了，这样就实现了本较好的节能减排的目的。

2 技术方案

一种发动机进气空气分离系统，主要通过使用Na-X型沸石和Li-X型沸石的压力回转吸附法实现发动机进气空气中氮气与氧气的分离。包括用于进气的空气进气口，并在进气口初安装有滤清器，用于滤去空气中的微粒和水蒸汽，系统含一套吸附装置，吸附装置包括两个吸附器A、B和两个二次吸附器C、D；吸附器与二次吸附器之间分别有气管相连，其中A与C、B与D相对应。吸附器的进口端分别设有供气电磁阀与抽空电磁阀；抽空电磁阀与真空泵相连。二次吸附器出口端安装有缓冲器，缓冲器出口端设有分离电磁阀，富氧气体通过分离电磁阀经进气道进入发动机气缸或与燃料混合后进入发动机气缸。

吸附器进口端导入Na-X型沸石，吸附器进口端导入Li-X型沸石。二次吸附器进口端导入Na-X型沸石，二次吸附器进口端导入Li-X型沸石。二次吸附器体积较小于吸附器，安装在吸附器的出口端主要是为了进行氮气的二次吸附，从而提高氧气的纯度。吸附过程的吸附压力为1巴~1.1巴；抽空过程的解吸压力为100毫巴~400毫巴。供气电磁阀、抽空电磁阀、分离电磁阀均由控制器统一控制，定时开闭。吸附装置亦可根据发动机需氧量的增加实现并联，即用多套吸附装置同时供气。真空泵的动力由发动机主动轴提供。缓冲器的作用是为了使供气气流均匀。

研究表明采用上述技术方案，可以达到以下有益效果：

本文所提出的发动机进气空气分离系统，通过使用Na-X型沸石和Li-X型沸石的压力回转吸附法实现发动机进气空气中氮气与氧气的分离。有效的分离出了氮气，得到的富氧气体与燃料混合供入气缸燃烧或者通过进气道进入气缸并与气缸内燃料燃烧，这样氮气不参与燃烧过程，也就抑制了NOx的生成，亦不需再采取催化转化装置或控制燃烧等措施，这样就实现了较好的节能减排的目的。

图中：1.气缸；2.分离电磁阀（1）；3.缓冲器（1）；4.二次吸附器（C）；5.吸附器（A）；6.滤清器；7.空气进气口；8.供气电磁阀（1）；9.抽空电磁阀（1）；10.真空泵；11.供气电磁阀（2）；12.抽空电磁阀（2）；13.吸附器（B）；14.二次吸附器（D）；15.缓冲器（2）；16.分离电磁阀（2）；17.进气道

3 工作原理

结合图1，发动机进气空气分离系统主要通过压力回转吸附法实现发动机进气空气中氮气与氧气的分离。包括用于进气的空气进气口，并在进气口初安装有滤清器，用于滤去空气中的微粒和水蒸汽，系统含一套吸附装置，吸附装置包括吸附器（A）、吸附器（B）和二次吸附器（C）、二次吸附器（D）；吸附器与二次吸附器之间分别有气管相连，其中A与C、B与D相对应。吸附器的进口端分别设有供气电磁阀、与抽空电磁阀；抽空电磁阀与真空泵相连。二次吸附器出口端安装有缓冲器，缓冲器出口端设有分离电磁阀，富氧气体通过分离电磁阀经进气道进入发动机气缸或与燃料混合后进入发动机气缸。

结合图1具体介绍吸附装置的工作循环：

0s时刻：吸附器（B）已经完成吸附过程；

0~30s：

吸附器（A）5、二次吸附器（C）4 ：供气电控阀（1）6、分离电控阀（1）2“开”抽空电控阀（1）9“闭”，空气由空气进气口7进入通过滤清器6，过滤掉微粒和水蒸气，混合气体流出滤清器6通过供气电磁阀（1）8进入吸附器（A）5，吸附器（A）5内Na-X型沸石和Li-X型沸石吸附混合气体内的氮气、二氧化碳、水蒸气，剩余气体（氧气、氩气及少量的氮气、二氧化碳、水蒸气等）通过二次吸附器（A）4进行再次吸附，主要吸附上个工序所遗留的少量的氮气、二氧化碳、水蒸气等气体。从二次吸附器（A）4流出的富氧气体（氧气、氩气）经过缓冲器（1）3、分离电磁阀（1）2进入进气道，从而供入发动机气缸1。

吸附器（B）13、二次吸附器（D）14:供气电控阀（2）11、分离电控阀（2）16“闭”抽空电控阀（2）12“开”，通过真空泵10将吸附器（B）13 和二次吸附器（D）14抽至负压，吸附剂所吸附的氮气得到解吸，并排到大气。

30s时刻：吸附器（A）5已经完成吸附过程；

30~60s：

吸附器（A）5、二次吸附器（C）4 ：供气电控阀（1）6、分离电控阀（1）2“闭”抽空电控阀（1）9“开”，通过真空泵10将吸附器（A）5和二次吸附器（C）4 抽至负压，吸附剂所吸附的氮气得到解吸，并排到大气。

吸附器（B）、二次吸附器（D）：供气电控阀（2）、分离电控阀（2）“开”抽空电控阀（2）“闭”，空气由空气进气口进入通过滤清器，过滤掉微粒和水蒸气，混合气体流出滤清器通过供气电磁阀（2）进入吸附器（B），吸附器（B）内Na-X型沸石和Li-X型沸石吸附混合气体内的氮气、二氧化碳、水蒸气，剩余气体（氧气、氩气及少量的氮气、二氧化碳、水蒸气等）通过二次吸附器（D）进行再次吸附，主要吸附上个工序所遗留的少量的氮气、二氧化碳、水蒸气等气体。从二次吸附器（D）流出的富氧气体（氧气、氩气）经过缓冲器（2）、分离电磁阀（2）进入进气道，从而供入发动机气缸。

4 结论

该发动机进气空气分离系统针对不同型号、不同需氧量的汽油机或柴油机，在具体某种发动机上的灵活应用。由于不同发动机需氧量不同，为了限制单套吸附装置的体积不至过大，可根据发动机实际需氧量增加吸附装置，原理相同并且同步并联工作，即形成多套吸附装置、多个空气进气口、多路富氧气体汇总到进气管，从而增加氧气进气量以满足不同发动机的要求。