专利名称：内燃机配气安全增氧装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及增氧装置，特别是一种用于内燃机的配气安全增氧装置，适用的类型有化油器式、电喷式、压燃式内燃机。
目前国内常用的内燃机助燃技术，基本上是从解决内燃机所用的燃料性能、改善内燃机燃烧室的内部结构、进气压力及进气量着手。即使考虑到增氧技术也只是采用电离空气的办法，如中国专利ZL92224307.7就公开了一种“内燃机空气滤清器”，它通过一个放电电路和安装在滤芯空气流出端的网状放电电极而构成的电离空气的电离增氧机构，使进入气缸空气中的二氧化碳电离成一氧化碳和氧气，增加了混合空气含氧量，使燃料更充分燃烧。但是电离所产生的氧气极其有限，对助燃只能稍加改善，不能从根本上解决问题，难以在瞬间达到所需的供氧量、安全方面也很难控制。
本发明的目的在于提供一种内燃机配气安全增氧装置，它从改变内燃机进气供氧技术着手，通过提高并调节进气含氧的浓度，使燃料在内燃机燃烧室内得到快速充分的燃烧，内燃机动力性能得以改善，大幅度降低燃油消耗和废气排放，本发明的目的还在于根据内燃机的工作特点，采用经济、无污染、小型化的多级模拟移动床变压吸附制氧技术、或膜分离制氧技术、电子智能控制技术，无需储气罐，特别适合于空间有限的车载内燃机，在充分燃烧、大幅降低排气污染的同时，使增氧浓度最高控制在安全防爆限制浓度以下，既能达到节能，又使进入内燃机的空气含氧浓度限制在防爆的安全限内。
实现本发明目的的技术方案是内燃机配气安全增氧装置，该增氧装置安装于内燃机进气系统之外，内燃机运行系统具有燃料箱、输送泵、燃料滤清器、空气氧气混合室、空气滤清器、化油器、消声器，其结构特点是所述增氧装置由控制器、空压机、高压空气脱水及吸附剂再生部分、富氧制备部分、富氧缓冲器组成，控制器主要为一集成块U1，它的输入端分别通过内燃机转速传感器J1、内燃机进气压力传感器J2、内燃机进气温度传感器J3、空压机出口压力传感器J4、内燃机尾气检测传感器J5、内燃机水箱温度传感器J6、氧含量传感器J7、内燃机节气门位置传感器J8与内燃机输出轴、化油器的出口端/或空气滤清器的出口端、空压机的输出端、气缸尾气排放口、内燃机水箱、空气滤清器的出口端、化油器/或空气滤清器的出口端相连接，集成电路U1的输出端分别通过空压机控制开关K1、制氧调节控制阀K2、脱水调节控制阀K3、气动调节控制阀K4、内燃机起点位调节器K5与空压机、富氧制备部分、高压空气脱水及吸附剂再生部分、富氧缓冲器的出口及化油器相连接，富氧缓冲器的输出端经富氧喷嘴与空气氧气混合室连接。
本发明所述控制器之集成块U1的输入脚27接内燃机转速传感器J1、输入脚64接内燃机进气压力传感器J2、输入脚65接内燃机进气温度传感器J3、输入脚1接空压机出口压力传感器J4、输入脚68接内燃机尾气检测传感器J5、输入脚66接内燃机水箱温度传感器J6、输入脚63接氧含量传感器J7、输入脚67接内燃机节气门位置传感器J8；集成块U1之输出脚57接空压机控制开关K1、输出脚55接制氧调节控制阀K2、输出脚56接脱水调节控制阀K3、输入脚5接气动调节控制阀K4、输入脚4接内燃机起点位调节器K5，上述开关K1～K5均是由三极管T、二极管D、电感L及电阻R构成的电子开关。
本发明所述内燃机起点位调节器K5用控制线与化油器或喷油泵油门控制点连接，并设有调节器行程限位装置，行程限位装置固定安装在化油器或喷油泵上。
本发明所述高压空气脱水及吸附剂再生部分由脱水吸附柱1和2及气动调节阀F1～F9组成并联的两组，即一路为脱水吸附柱1、进气阀F3、出气阀F5、放空阀F7、再生阀F9和另一路脱水吸附柱2、进气阀F2、出气阀F4、放空阀F6、再生阀F8。
本发明所述富氧制备部分为多级模拟移动床变压吸附制氧部分，它由串接式吸附柱1、吸附柱2、吸附柱3、吸附柱4、吸附柱5及气动调节阀F10～F29构成，其进气端接过滤器L，出气端接富氧缓冲器。
本发明所述富氧制备部分为多级变径膜分离制氧部分，它由直径逐渐递减的多级膜分离器M及从每级膜分离器接出的单向阀D组成，单向阀的另一端接富氧缓冲器，最后一级膜分离器还与高压空气脱水及吸附剂再生部分相连接。
本发明与现有技术相比所具有的优点的积极效果是采用多级模拟移动床变压吸附制氧技术或膜分离技术及智能控制技术，控制内燃机进气氧含量，使空燃比和点火时间得以优化，燃料快速充分燃烧，内燃机动力性能改善，大幅度降低燃油消耗和废气排放。本装置可根据不同用途的内燃机及其规格型号和所用燃料质量指标，进行系列化设计，采用单台内燃机单机配置，同时采用智能记意控制和人工手动控制相结合，使之对内燃机的变化工况达到最佳配置要求。具体表现在以下几个方面1)安全增氧，使进入内燃机的空气含氧浓度达到25％，就会有明显的节能和减少排气污染的现象，进入内燃机的空气含氧浓度达到30％左右，节能效果最好，节油率达30％左右；而且尾气中HC浓度用PPM级的检测仪已无法检出，即显示为零；尾气中CO浓度比国家标准低96％以上。因此增氧浓度最高控制在既能达到节能，又使进入内燃机的空气含氧浓度限制在防爆的安全限内；2)小型化，由于车载内燃机空间有限，无法安装常见制氧装置，而本发明的加氧原理能在车载内燃机上获得实现，得益于多级模拟移动床变压吸附制氧技术或膜分离技术(目前膜分离制氧的设备成本较高)，使制氧装置小型化，同时使制氧所需的动力消耗降低到完全可以不影响原内燃机的正常工作，以桑塔纳普通型为例，所需动力消耗不超过1.5kw；3)节能，多级模拟移动床变压吸附制氧工艺将产氧浓度控制在50-70％的最佳吸附速率之间，而膜分离技术制氧工艺将产氧浓度控制在35～40％的范围。氧气产出实现连续无缓冲罐设计，使氧回收率达到90％以上；采用失效级吸附柱解吸工艺，使吸附剂的使用量减少达40％以上，压缩空气中的水汽采用变压吸附脱水，利用制氧解吸过程中的放空氮气作主要动力源对水汽吸附柱进行再生，省却了常规的冷干装置及能耗。
如下图1是本发明实施例1化油器式内燃机增氧技术为多级模拟移动床变压吸附制氧的系统示意图。
图2是本发明实施例2化油器式内燃机增氧技术为多级变径膜分离制氧的系统示意图。
图3是本发明实施例3电喷式内燃机增氧技术为多级模拟移动床变压吸附制氧的系统示意图。
图4是本发明实施例4电喷式内燃机增氧技术为多级变径膜分离制氧的系统示意图。
图5是本发明实施例5压燃式内燃机增氧技术为多级模拟移动床变压吸附制氧的系统示意图。
图6是本发明实施例6压燃式内燃机增氧技术为多级变径膜分离制氧的系统示意图。
图7是本发明控制器集成电路的方框图。
图8是本发明控制器集成电路的原理图。
图9是内燃机起点位调节器的4种结构图。
图10是本发明多级模拟移动床变压吸附制氧的流程图。
图11是本发明多级变径膜分离制氧的流程图。
实施例1，如图1、7、8、9、10、所示，本例安全配气增氧装置安装于化油器式内燃机，内燃机运行系统具有燃料箱1、输送泵2、燃料滤清器3、空气氧气混合室4、空气滤清器5、化油器6、消声器7，而配置的增氧装置包括控制器8、空压机9、高压空气脱水及吸附剂再生部分10、多级模拟移动床变压吸附制氧部分11、富氧缓冲器12、富氧喷嘴14。
空压机9将高压空气供给高压空气脱水及再生部分10，首先经除油器C除油，再经阀F1后分为两路，一路包括脱水吸附柱1、进气阀F3、出气阀F5、放空阀F7、再生阀F9，另一路为与之并联的脱水吸附柱2、进气阀F2、出气阀F4、放空阀F6、再生阀F8，(上述阀均为气动调节阀)两出气阀并接后通过过滤器L将脱水后的高压空气送入多级模拟移动床变压吸附制氧部分11。上述脱水及再生的工作过程是1)启动空压机9；2)打开气动调节阀F1、F3、F5和F8、F6，同时关闭F7、F9和F2、F4即可实现用脱水吸附柱1进行脱水，而对脱水吸附柱2进行再生；3)当打开气动调节阀F1、F2、F4和F9、F7，同时关闭F8、F6和F3、F5即可实现用脱水吸附柱2进行脱水，而对脱水吸附柱1进行再生；4)间隔一定时间，分别执行上述2)、3)步操作，即可实现对两只脱水吸附柱轮换进行脱水和再生。
脱水、除油后的高压空气，经过滤器L过滤后，进入五级模拟移动床变压吸附制氧部分11，五级吸附柱中四级为串接式吸附制氧，一级为解吸再生，经一循环周期，五级吸附柱依次轮换一次，每一循环周期的时间约60秒。具体操作过程如下1)吸附操作，关闭气动调节阀F11、F13、F14、F15、F17、F18、F19、F21和F22、F24、F25，同时打开F10、F12、F16和F20、F23，经过吸附柱1、2、3、4四级吸附后产生的富氧经富氧缓冲器12即可向空气氧气混合室4提供富氧，提供的富氧量大小可由气动控制调节阀F30来实现远距离调节；2)解吸操作，在吸附柱1、2、3、4四只吸附柱进行吸附制氧的同时，吸附柱5也在进行解吸过程，解吸过程步骤如下a．关闭气动调节阀F26、F27和F28，打开F29，将原留在吸附柱5中的高压空气及被吸附柱吸附的氮气排出吸附柱5，同时作为脱水吸附柱的再生气源，经过阀F9(或F8)进入要再生的脱水吸附柱，最后向大气排放，脱水吸附柱具体再生过程如前所述。
b．隔一定时间，将吸附柱5作为吸附柱1、将吸附柱1作为吸附柱2、将吸附柱2作为吸附柱3、将吸附柱3作为吸附柱4、将吸附柱4作为吸附柱5，分别执行上述1)、2)步操作，即可实现下一次吸附解吸操作周期，五根吸附柱循环交替就可实现五级模拟移动床的变压吸附制氧过程。
从多级模拟移动床变压吸附制氧部分11出来的富氧经富氧缓冲器12后，再通过气动控制调节阀F30和富氧喷嘴14进入空气氧气混合室4。
多级模拟移动床变压吸附制氧工艺流程，可根据不同的制氧浓度要求及装置的微型化程度选择级数，级数少于三级就同常规的双柱流程相同，级数过多则造成管道气流阻力过大，使吸附最佳工况偏移，反而达不到制氧质量指标。
上述流程，无论是高压空气脱水或吸附剂再生还是吸附制氧或解吸过程都是在控制器8的控制下完成的，而控制器的核心就是集成电路U1，本例U1型号为87C522，它的输入脚27接内燃机转速传感器J1，该传感器接内燃机输出轴，输入脚64接内燃机进气压力传感器J2、输入脚65接内燃机进气温度传感器J3，上述两传感器分别与化油器6的输出端6-1和6-2相连接，输入脚1接空压机出口压力传感器J4，该传感器装在空压机的出口端9-1，输入脚68接内燃机尾气检测传感器J5，该传感器装在气缸排气口与消声器7之间，输入脚66接内燃机水箱温度传感器J6，接入内燃机水箱，输入脚63接氧含量传感器J7，该传感器装在空气滤清器的出口端5-1，输入脚67接内燃机节气门位置传感器J8，该传感器与化油器6相连接；集成块U1之输出脚57接空压机控制开关K1,K1为由T1、D1、L1、R2组成的电子开关，与空压机9相连接，输出脚55接制氧调节控制阀K2,K2为由T3、D3、L3、R4组成的电子开关，与多级模拟移动床变压吸附制氧部分11相连接，输出脚56接脱水调节控制阀K3,K3为由T4、D4、L4、R5组成的电子开关，与高压空气脱水及再生部分10相连接，输入脚5接气动调节控制阀K4,K4为由T2、D2、L2、R3组成的电子开关，与富氧缓冲器12的输出端相连接，输入脚4接内燃机起点位调节器K5,K5为由T5、D5、L5、R6组成的电子开关，与设在化油器6内的起点位调节器相连接。对于本例化油器式内燃机及压燃式内燃机有4个调节方案，见图6，可通过双向型电动机M、电磁铁L、回转电磁铁L′调节，其控制线13接化油器或喷油泵的油门控制点。
实施例2，如图2、7、8、9、11、所示，本例安全配气增氧装置同样安装于化油器式内燃机，内燃机运行系统具有燃料箱1、输送泵2、燃料滤清器3、空气氧气混合室4、空气滤清器5、化油器6、消声器7，而配置的增氧装置包括控制器8、空压机9、高压空气脱水及吸附剂再生部分10、多级变径膜分离制氧部分11、富氧缓冲器12、富氧喷嘴14。本例的基本结构与实施例1相同，所不同的是制氧技术采用三级变径膜分离制氧，它由直径逐渐缩小的三级膜分离器M1、M2、M3及从每级膜分离器接出的单向阀D1、D2、D3组成，单向阀的另一端接富氧缓冲器12，最后一级膜分离器还与高压空气脱水及吸附剂再生部分10相连接。
实施例3，如图3、7、8、10、所示，本例安全配气增氧装置安装于电喷式内燃机，内燃机运行系统具有燃料箱1、输送泵2、燃料滤清器3、空气氧气混合室4、空气滤清器5、消声器7，而配置的增氧装置包括控制器8、空压机9、高压空气脱水及吸附剂再生部分10、多级模拟移动床变压吸附制氧部分11、富氧缓冲器12、富氧喷嘴14。本例的基本结构与实施例1相同，不同的是对于电喷式内燃机，燃料喷射位置在各缸进气阀附近，空气与燃料在缸内混合，故进气压力传感器J2、进气温度传感器J3、氧含量传感器J7及节气门位置传感器J8均安装在空气滤清器5的出口节气门15位置处，由于电喷式内燃机其起点位控制功能可以通过电喷控制系统的怠速控制装置来实现，故省去了起点位调节器控制开关K5。
实施例4，如图4、7、8、11、所示，本例安全配气增氧装置同样安装于电喷式内燃机，内燃机运行系统具有燃料箱1、输送泵2、燃料滤清器3、空气氧气混合室4、空气滤清器5、消声器7，而配置的增氧装置包括控制器8、空压机9、高压空气脱水及吸附剂再生部分10、多级变径膜分离制氧部分11、富氧缓冲器12、富氧喷嘴14。本例除了制氧技术采用多级变径膜分离制氧外，其它结构与实施例2相同。
实施例5，本例安全配气增氧装置安装于压燃式内燃机内，如图5、图7、图8、图9、图10所示，对于压燃式内燃机，燃料也是直接喷入汽缸，空气与燃料在缸内混合，此类型内燃机的配气安全增氧装置的基本结构与实施例1相同，即制氧技术采用多级模拟移动床变压吸附制氧，连接增氧装置的进气压力传感器J2、进气温度传感器J3、氧含量传感器J7直接安装在空气滤清器5的出口处，由于不设节气门，故省去了节气门位置传感器J8。
实施例6，本例安全配气增氧装置同样安装于压燃式内燃机内，如图6、图7、图8、图9、图11所示，本例配气安全增氧装置的基本结构与实施例2相同，即制氧技术采用多级变径膜分离制氧，连接增氧装置的进气压力传感器J2、进气温度传感器J3、氧含量传感器J7直接安装在空气滤清器5的出口处，由于不设节气门，故省去了节气门位置传感器J8。
权利要求
1．一种内燃机配气安全增氧装置，该增氧装置安装于内燃机进气系统之外，内燃机运行系统具有燃料箱(1)、输送泵(2)、燃料滤清器(3)、空气氧气混合室(4)、空气滤清器(5)、化油器(6)、消声器(7)，其特征在于所述增氧装置由控制器(8)、空压机(9)、高压空气脱水及吸附剂再生部分(10)、富氧制备部分(11)、富氧缓冲器(12)组成，控制器(8)主要为一集成块U1，它的输入端分别通过内燃机转速传感器J1、内燃机进气压力传感器J2、内燃机进气温度传感器J3、空压机出口压力传感器J4、内燃机尾气检测传感器J5、内燃机水箱温度传感器J6、氧含量传感器J7、内燃机节气门位置传感器J8与内燃机输出轴、化油器(6)的出口端(6-1、6-2)/或空气滤清器(5)的出口端、空压机(9)的输出端(9-1)、气缸尾气排放口(7-1)、内燃机水箱、空气滤清器(5)的出口端、化油器(6)/或空气滤清器(5)的出口端相连接，集成电路U1的输出端分别通过空压机控制开关K1、制氧调节控制阀K2、脱水调节控制阀K3、气动调节控制阀K4、内燃机起点位调节器K5与空压机(9)、富氧制备部分(11)、高压空气脱水及吸附剂再生部分(10)、富氧缓冲器(12)的出口及化油器(6)相连接，富氧缓冲器(12)的输出端经富氧喷嘴(14)与空气氧气混合室(4)连接。
2．如权利要求1所述的内燃机配气安全增气装置，其特征在于所述控制器(8)之集成块U1的输入脚27接内燃机转速传感器J1、输入脚64接内燃机进气压力传感器J2、输入脚65接内燃机进气温度传感器J3、输入脚1接空压机出口压力传感器J4、输入脚68接内燃机尾气检测传感器J5、输入脚66接内燃机水箱温度传感器J6、输入脚63接氧含量传感器J7、输入脚67接内燃机节气门位置传感器J8；集成块U1之输出脚57接空压机控制开关K1、输出脚55接制氧调节控制阀K2、输出脚56接脱水调节控制阀K3、输入脚5接气动调节控制阀K4、输入脚4接内燃机起点位调节器K5，上述开关K1～K5均是由三极管T、二极管D、电感L及电阻R构成的电子开关。
3．如权利要求1或2所述的内燃机配气安全增氧装置，其特征在于所述内燃机起点位调节器K5用控制线(13)与化油器(6)或喷油泵油门控制点连接，并设有调节器行程限位装置，行程限位装置固定安装在化油器(6)或喷油泵上。
4．如权利要求1所述的内燃机配气安全增氧装置，其特征在于所述高压空气脱水及吸附剂再生部分(10)由脱水吸附柱1和2及气动调节阀F1～F9组成并联的两组，即一路为脱水吸附柱1、进气阀F3、出气阀F5、放空阀F7、再生阀F9和另一路脱水吸附柱2、进气阀F2、出气阀F4、放空阀F6、再生阀F8。
5．如权利要求1所述的内燃机配气安全增氧装置，其特征在于所述富氧制备部分(11)为多级模拟移动床变压吸附制氧部分(11-Ⅰ)，它由串接式吸附柱1、吸附柱2、吸附柱3、吸附柱4、吸附柱5及气动调节阀F10～F29构成，其进气端接过滤器L，出气端接富氧缓冲器(12)。
6．如权利要求1所述的内燃机配气安全增氧装置，其特征在于所述富氧制备部分(11)为多级变径膜分离制氧部分(11-Ⅱ)，它由直径逐渐递减的多级膜分离器M及从每级膜分离器接出的单向阀D组成，单向阀的另一端接富氧缓冲器(12)，最后一级膜分离器还与高压空气脱水及吸附剂再生部分(10)相连接。
全文摘要
本发明涉及内燃机配气安全增氧装置,其控制器为集成块U
文档编号F02D19/00GK1309237SQ0110580
公开日2001年8月22日 申请日期2001年3月29日 优先权日2001年3月29日
发明者胡振民 申请人:浙江日月科技贸易有限公司