一种电磁式车用氮氧分离装置

摘要

本发明设计开发了一种电磁式车用氮氧分离装置，包括涡轮增压器和氮氧分离器，所述氮氧分离器内设置有磁场发生装置，所述磁场发生装置产生梯度磁场，以拦截流过所述梯度磁场的空气中的氧气，完成氮气和氧气的分离，所述氮氧分离器将分离后的富氧空气提供给汽车发动机并将富氮空气排出。本发明应用电磁学理论中的粒子运动规律，充分利用电磁铁磁场强度远远高于永磁铁的特点，极大地改善了现有制氧装置体积大，布置困难，与采用永磁铁时氧浓度增量低的缺点。其装置结构简单，制造成本与加工难度低，工艺简单，制造容易，易于实现量产，易于实现车载。

权利要求

1.一种电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，包括：

涡轮增压器，其用于吸入空气并将空气压缩；

氮氧分离器，其内设置有磁场发生装置，所述磁场发生装置产生梯度磁场，以拦截流过所述梯度磁场的空气中的氧气，完成氮气和氧气的分离，所述氮氧分离器将分离后的富氧空气提供给汽车发动机并将富氮空气排出；

其中，所述涡轮增压器与所述氮氧分离器相连通，为所述氮氧分离器提供空气源；

所述磁场发生装置包括上下平行布置的两个磁铁，所述两磁铁左右磁极相反，之间形成空气流通通道，所述流通通道中部的磁场强度大于两端的磁场强度；

所述两个磁铁为电磁铁；

所述磁场发生装置还包括直流电源，所述两个电磁铁的导电线圈均缠绕在中部，并与所述直流电源的正负极相连，所述两个电磁铁导电线圈中电流的方向相反；

所述氮氧分离器设置有多个，并且相并联。

2.根据权利要求1所述的电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述磁场发生装置还包括电流放大电路，所述电流放大电路包括三极管和电阻，实现对电磁铁供电电流的放大控制作用。

3.根据权利要求2所述的电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述电磁铁线圈两端连接有限流电阻和二极管，以消除两个电磁铁产生的感应电动势。

4.根据权利要求3所述的电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述氮氧分离器空气入口端、富氧空气出口端和富氮空气出口端均连接有可控阀门及流量计，以检测和控制空气的流量。

5.根据权利要求4所述的电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述涡轮增压器与所述氮氧分离器之间还设置有氧浓度传感器、温度计、压力计，分别用来测量进入到氮氧分离器前空气的氧浓度、温度及压力。

6.根据权利要求5所述的电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述氮氧分离器与汽车发动机之间还设置有氧浓度传感器、温度计、压力计，分别用来测量氮氧分离器为发动机提供富氧空气的氧浓度、温度及压力。

7.根据权利要求6所述的电磁式车用氮氧分离装置，其特征在于，所述涡轮增压器由汽车发动机排出的尾气驱动。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的电磁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空气滤清器，用于为空气降温及去除空气中杂质。

说明书

一种电磁式车用氮氧分离装置

技术领域

[0001] 本发明涉及车用制氧技术领域，特别涉及一种电磁式式车用氮氧分离装置。

背景技术

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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

[0005] 本发明提供了一种电磁式氮氧分离装置，能够快速高效地将空气中的氮气和氧气分离，进而为发动机的燃烧过程提供高含氧量的空气，以提高燃烧效率。

[0006] 本发明提供的技术方案为：

[0007] 一种电磁式车用氮氧分离装置，包括：

[0008] 涡轮增压器，其用于吸入空气并将空气压缩；

[0009] 氮氧分离器，其内设置有磁场发生装置，所述磁场发生装置产生梯度磁场，以拦截流过所述梯度磁场的空气中的氧气，完成氮气和氧气的分离，所述氮氧分离器将分离后的富氧空气提供给汽车发动机并将富氮空气排出；

[0010] 其中，所述涡轮增压器与所述氮氧分离器相连通，为所述氮氧分离器提供空气源。

[0011] 优选的是，所述磁场发生装置包括上下平行布置的两个磁铁，所述两磁铁左右磁极相反，之间形成空气流通通道，所述流通通道中部的磁场强度大于两端的磁场强度。

[0012] 优选的是，其特征在于，所述磁场发生装置包括直流电源和上下平行布置的两个电磁铁，所述两个电磁铁的导电线圈均缠绕在中部，并与所述直流电源的正负极相连，所述两个电磁铁导电线圈中电流的方向相反。

[0013] 优选的是，所述磁场发生装置还包括电流放大电路，所述电流放大电路包括三极管和电阻，实现对电磁铁供电电流的放大控制作用。

[0014] 优选的是，其特征在于，所述电磁铁线圈两端连接有限流电阻和二极管，以消除两个电磁铁产生的感应电动势。

[0015] 优选的是，所述氮氧分离器空气入口端、富氧空气出口端和富氮空气出口端均连接有可控阀门及流量计，以检测和控制空气的流量。

[0016] 优选的是，所述涡轮增压器与所述氮氧分离器之间还设置有氧浓度传感器、温度计、压力计，分别用来测量进入到氮氧分离器前空气的氧浓度、温度及压力。

[0017] 优选的是，所述氮氧分离器与汽车发动机之间还设置有氧浓度传感器、温度计、压力计，分别用来测量氮氧分离器为发动机提供富氧空气的氧浓度、温度及压力。

[0018] 优选的是，其特征在于，所述涡轮增压器由汽车发动机排出的尾气驱动。

[0019] 优选的是，所述涡轮增压器出口端还连接有中冷器和空气滤清器，用于为空气降温及去除空气中杂质。

[0020] 本发明的有益效果是：本发明所述的电磁式车用氮氧分离装置，应用了电磁学理论中粒子运动规律与电磁技术，大大降低了使用永磁铁进行氧提纯时的装置体积，同时由于电磁铁磁力远高于同体积永磁铁数十倍，故所需装置体积小，因而更易于布置，易于实现车载。由于其磁力大小可由通电导线内电流控制，因此改变电路中电流就可以实现对磁场整体强度的控制，从而控制发动机进气的氧浓度，实现了装置可控性的要求。另外由于各零部件均易于获得，因而极大地降低了制造成本与加工难度。氧浓度提高，提高了发动机的燃料燃烧利用率，增加发动机功率，提高热效率。与现有技术相比，该车载电磁氮氧分离装置具结构简单、制造成本低、装置体积小、氧提纯效果佳、浓度可控、使用寿命高等特点。

附图说明

[0021] 图1为本发明所述的电磁式车用氮氧分离装置总体连接示意图。

[0022] 图2为本发明所述的氮氧分离器分离原理示意图。

[0023] 图3为空气在均匀磁场和梯度磁场的运动规律示意图。

[0024] 图4为本发明所属的磁场发生装置结构示意图。

具体实施方式

[0025] 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。

[0026] 如图1所示，本发明提供了一种电磁式车用氮氧分离装置，包括涡轮增压器1006和与之连接的氮氧分离器1015，涡轮增压器1006由汽车发动机1014排除的尾气驱动，为涡轮增压器1006提供动力，将空气进行压缩后提供给氮氧分离器1015。氮氧分离器1015内设置有磁场发生装置，所述磁场发生装置能够产生梯度磁场，以拦截流过所述梯度磁场的空气中的氧气，完成氮气和氧气的分离，氮氧分离器1015将分离后的富氧空气提供给汽车发动机1014并将富氮空气排出。

[0027] 作为一种优选的，所述磁场发生装置包括上下平行布置的两个磁铁，两磁铁左右磁极相反，之间形成空气流通通道，所述流通通道中部的磁场强度大于两端的磁场强度，因此在流通通道中产生梯度磁场。

[0028] 根据电磁学理论中的粒子运动规律：氮、氧分子具有不同的磁敏·感性。氧分子体积磁化率为1.91×10-6，氮分子体积磁化率为-2.23×10-9。体积磁化率为正值代表具有顺磁特性，为负值代表具有逆磁特性。体积磁化率绝对值的大小可以反映其在磁场中受磁场力作用的大小。故氧气具有顺磁特性，氮气具有逆磁特性。梯度磁场对氧分子的拦截作用，而在均匀磁场中氮氧分子不受磁力作用，因而会使氧分子在梯度磁场区域内富集。氮、氧分子在梯度磁场中受力及运动方向如图2所示，在上下两磁铁间磁场分布呈中部磁场强度大，两端磁场强度小，因而形成了磁场梯度。FO、FN分别表示氮、氧分子所受的磁场力，V1为气体流入磁场时的速度，V'为气体向两侧溢散速度，V0、VN分别为氧氮分子最终速度方向。由于氧分子具有顺磁特性，因而在梯度磁场中会和受到指向磁场大小增强的方向的力。氧分子受力大小可由以下公式确定：

[0029]

[0030]

[0031] 其中F为分子受力大小，B为两电磁铁间磁通量， 为磁场梯度，λ为氧气的体积磁化率，λ0标况下氧气的体积磁化率，μ0为真空磁导率，P为气体压力，P0为标准大气压强，T为进行氧提纯的空气温度，T0为标况下空气温度。

[0032] 由上式可知，氧分子受力大小与磁场强度B，梯度磁场大小 和氧气的体积磁化率成正比，而氧气的体积磁化率与其压强成正比，与其温度成反比。因此通过增大磁场梯度、增加进气压强、降低温度能够使氧分子受到的指向磁场中心的力最大，极大地提高了氧气浓度。

[0033] 根据电磁学理论粒子运动规律，进入磁场的空气会有部分向两侧溢散，如图3所示，其中Q为进入磁场空间的空气流量，Q’为穿过磁场空间，供给发动机燃烧做功的空气流量，从两侧溢出的空气流量分别为(Q-Q’)/2。取磁场沿X方向一个微元长度i，空气从左侧有边界进入磁场区域，总流量为Q。流入发动机燃烧做功的空气流量为Q’。从均匀磁场流入梯度磁场的气体流量为qi，由梯度磁场流出的气体流量为qi’。空气在磁场空间流动时，氮分子由于不受磁场力作用，或磁场力对其作用很小，远远小于其分子运动的惯性力，因而会有部分从两侧溢出；qi中氧分子在梯度磁场会受到磁场指向磁场增强方向的作用力，连同该区域内氧分子一并受到同方向的梯度磁场作用力，氧分子在该力作用下向磁场增强方向运动，进入均匀磁场区域后会连同新流入的空气一并进入i+1区域，再次受到梯度磁场的作用力，因而会在每一个区域内重复该运动方式，这样在空气从X方向流出时，氧浓度会有一定增加，因为氧浓度是沿X方向逐渐增加的，因此当氧浓度增量不足时，可适当延长电磁铁沿X方向长度。

[0034] 由于该装置应用梯度磁场对氧分子的作用力，因而对Q与Q’需有一定要求，流量不能一味的增加，因为Q过大时会使分子运动时的惯性力大于分子所受的磁力，因而使富氧效果不明显。故当使用一个支路制氧量不足时可采用多条支路并联的结构。由于两电磁铁间间隙Δ大小也会影响磁场区域场强与梯度磁场大小，因而两电磁铁的间隙也应根据实际情况做适当调整，以获得最优的磁场强度与进出气流量。

[0035] 作为一种优选的，上下两磁铁采用电磁铁1003，其全部线圈均缠绕在铁芯中间部分，故而在它们中间形成了中部为均匀磁场区、两边为梯度磁场的电磁场，并且磁场强度在极小的区域内急剧下降，达到增大梯度磁场大小的目的，改善了采用永磁铁时磁场强度小，氧分子受力小，氧浓度增量小的缺点。

[0036] 如图4所示，磁场发生装置还包含直流电源1001，电源开关1002，电磁铁1003，电阻1004，三极管1005，二极管1016以及控制器C1013。直流电源1001可利用汽车的电瓶，其正极连接电源开关1002一端，1002另一端分别连接限流电阻1004一端和二极管1016的输出端。
限流电阻1004的另一端和二极管1016的输入端分别连接两个互相反方向缠绕的电磁铁
1003的电磁线圈左右两端。二极管1016的输入端同时连接三极管1005的集电极端；三极管
1005的基极端通过基极电阻1004连接控制器1013的I/O输出端；另外分压电阻1004并联在三极管1005的基极和发射极端，三极管1005的发射极端与直流电源1001的负极相连。当电源开关1002闭合时，直流电源1001向两个电磁铁1003线圈供电，使上下两个电磁铁1003的左右形成相反的磁极，另外由于电磁铁1003的电磁线圈在铁芯中部缠绕，故而在他们中间形成了中部为均匀磁场、两边为梯度磁场的电磁场。当电源开关1002关断时或三极管1005截止时，为避免电磁铁1003感应电动势对电路器件的影响，与其两端首尾相连的二极管
1016和限流电阻1004使电磁铁1003感应出的电动势正负极两端形成回路，起到续流的作用，消除了感应电动势及其影响。三极管1005在控制器1013通过对其基极电流的控制实现了对电磁铁1003供电电流的放大控制作用，放大倍数由电阻1004决定。控制器1013根据车辆行驶时的不同工况，控制其输出电流，从而经过三极管放大电路改变电磁铁电路中电流，从而改变两电磁铁1003间磁场强度，达到根据不同工况改变供给发动机的空气中氧浓度的目的。

[0037] 氮氧分离器空气入口端、富氧空气出口端和富氮空气出口端均连接有可控阀门1008及流量计1009，控制器1013根据ECU发送来的信号控制三个可控阀门1008的开度以改变空气流量，三个流量计1009分别用于监测进气、富氧空气与富氮空气出口的空气流量。

[0038] 在涡轮增压器1006与氮氧分离器1005之间，和氮氧分离器1005与汽车发动机1014之间分别设置有氧浓度传感器1010、温度计1011、压力计1012，分别用来测量进入到氮氧分离器前空气的氧浓度、温度及压力，用来检测空中的氧气含量、温度及压力值，并将信号发送给控制器1013，为控制器1013的控制提供依据。

[0039] 涡轮增压器出口端还连接有中冷器1007和空气滤清器，用于为空气降温及去除空气中杂质。通过中冷器1007的降温也有利于提高氮氧分离器提高分离效率。

[0040] 作为进一步优选的，本装置可并联多个氮氧分离器1015，以减少进气气阻，增加发动机的进气量。

[0041] 本发明的车载电磁制氧装置，应用电磁学理论中的粒子运动规律，充分利用电磁铁磁场强度远远高于永磁铁的特点，极大地改善了现有制氧装置体积大，布置困难，与采用永磁铁时氧浓度增量低的缺点。其装置结构简单，制造成本与加工难度低，工艺简单，制造容易，易于实现量产，易于实现车载。由于电磁铁的采用，因而可根据车辆行驶的不同工况改变电路中的电流，改变磁场强度，以达到控制氧浓度的目的。由于氧浓度提高，提高燃料的燃烧利用率，节省能源，安全环保。极大地拓宽了富氧燃烧的新思想。

[0042] 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。