CN103291505A - 一种超声、富氧助燃装置及其工作方法 - Google Patents

一种超声、富氧助燃装置及其工作方法 Download PDF

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张海杰
魏付豪
安琪
刘培恒
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Abstract

本发明涉及一种超声、富氧助燃装置及其工作方法，属于油气燃烧领域；本装置由空气泵（1）、除尘器（2）、干燥器（3）、变压吸附制氧器（4）、真空泵（5）、PLC（6）、PLC智能控制流量阀门（7）、富氧空气输气管道（8）、输油管道（9）、超声波处理室（10）、超声波换能器（11）、内燃机（12）、排气***（13）、超声波发生器（14）等组成。通过PLC智能控制***控制空气泵的功率和流量阀门，可实现在油气混合室的不同油气配比。适当配比后的油气混合物经超声波的空化处理，进入内燃机燃烧，燃烧气体由尾气烟道排出。本发明装置经济适用，明显的提高了燃烧效率、降低了污染物的排放，尤其是PM2.5的排放，具有广泛的应用前景。

Description

一种超声、富氧助燃装置及其工作方法
技术领域
本发明属于油气燃烧领域，涉及在内燃机上开发一种燃油和气体处理装置，实现超声和富氧联合助燃的油气处理装置。它是联合超声空化效应和变压吸附气体分离技术设计的油气混合处理装置，解决内燃机富氧燃烧的氧气来源，改善燃油雾化效果和提高燃烧效率。
背景技术
近年来，由于能源危机和环境污染的日趋严重，世界各国对车用内燃机的燃油经济性和排放性能提出来越来越高的要求。迫于节能减排的压力，各国科学家和工程师们积极探索一条高效、节能、环保的内燃机新技术的道路。众所周知，内燃机的燃烧过程在很大程度上决定了其综合性能，因此，开发高效、清洁的内燃机燃烧技术始终是内燃机技术进步的重要方向。
现有关于超声波处理燃油的大量研究和应用表明，利用超声波空化效应，能大大改善燃油雾化效果，使得雾化油滴更加细小均匀，提高燃烧速率，在降低燃油消耗的同时，能从源头上减少ＨＣ等的产生，降低排气中PM2.5含量。现有很多超声气化装置、超声雾化装置、超声喷嘴的应用，都有明显的效果。因此，利用超声波提高内燃机的经济性和排放性具有重要意义。但是由于使用常规吸气***的内燃机，由于空气中氧气含量只有21%，仍不能彻底解决HC、CO产生较多的问题，需要提高进气氧含量。
现有关于富氧燃烧的大量研究表明，富氧燃烧是实现内燃机高效、清洁、低排放燃烧技术的有效途径。研究表明：富氧燃烧能够降低汽油燃烧过程的理论空燃比,提高混合气燃烧的热值,提高理论燃烧温度；富氧燃烧使得发动机输出功率增加,发动机机械效率增长率与进气中氧气浓度呈线性比例增加；富氧燃烧能够降低发动机的燃油消耗；富氧燃烧状态下发动机排放物中HC、CO浓度大幅度降低，从源头上减少PM2.5的产生。因此，从提高内燃机动力性能、经济性能、排放性能来看，提高进气氧浓度是非常有效的途径。但是燃烧速率受油滴粒径的限制，油滴粒径越小，燃烧速率越高。
目前随着变压吸附气体分离技术（PSA）的快速发展，已经能够实现变压吸附制氧装置的微型化，富氧气体氧含量和流量均可以满足车用富氧燃烧的需求，能够实现“现制现用”。
综上所述，在内燃机上采用超声、富氧燃烧技术，不但可以提高燃烧效率，提高发动机输出功率和机械效率，而且能从源头上减少PM2.5和CO的产生，是内燃机实现高效、清洁、环保的有效途径。但是目前的超声助燃技术和富氧助燃技术都比较单一，存在一定的缺点，各自的优点也有很大的发展空间，因此一种联合二者优点并使得这两项技术相互促进的装置为解决这个问题提供了条件。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种车用变压吸附制氧装置联合超声波发生装置，将制取的富氧与燃油进行超声处理，有效地帮助内燃机提高机械效率、提高输出功率、降低燃油消耗、减少ＨＣ、ＣＯ的污染物的产生。
一种超声、富氧助燃装置，其特征在于该装置由变压吸附制氧***、PLC智能控制***、超声油气混合***、燃烧排气***组成；其中，变压吸附制氧***由：PLC智能控制空气泵、除尘器、干燥器、变压吸附制氧器、真空泵、PLC智能流量控制阀门、富氧空气输气管道组成；超声油气混合***由：PLC智能流量控制阀门、输油管道、超声波处理室、超声波换能器组成；燃烧排气***主要由内燃机、排气***组成；PLC智能控制***由PLC智能控制空气泵、PLC、PLC智能流量控制阀门组成；变压吸附制氧***超由PLC智能控制空气泵、除尘器、干燥器、变压吸附制氧器、真空泵、PLC智能流量控制阀门、富氧空气输气管道依次相连；超声油气混合***由PLC智能流量控制阀门、输油管道、超声波处理室、超声波换能器依次连接；变压吸附制氧***中的PLC智能控制空气泵、PLC智能流量控制阀门和超声油气混合***的PLC智能流量控制阀门与PLC相连；在PLC的控制下，超声油气混合***将由变压吸附制氧***产生的富氧空气和燃油混合，进入燃烧排气***，其中空气泵和流量控制阀门由PLC发出控制信号控制。
所述PLC控制***作为汽车电子控制***的一部分，受汽车电子控制***的控制，用于调节富氧生产量和燃油流量，以匹配发动机的工况需求。
所述PLC智能空气泵的功率由PLC控制，用于为变压吸附制氧器（PSA）具有提供一定压力的空气。
所述的空气泵和除尘器之间，真空泵与超声波处理室之间，燃油输入管路上，都设有智能控制流量阀门，均由PLC控制。
所述变压吸附制氧器（PSA）与超声波处理室联通，用于向超声波处理室提供富氧。
所述超声波处理室与内燃机联通，用于向内燃机提供油气混合物。
上述设计中，空气首先经过空气泵被加压后，经过除尘、干燥处理，然后进入变压吸附制氧器，分离出富氧气体，由真空泵抽出，然后和燃油一起按照适当比例进入超声波处理室，混合油气再进入内燃机燃烧。采用超声波对富氧和燃油进行处理后，气体以小气泡形式弥撒分布在燃油内，均匀混合，雾化油滴粒径大大减小，富氧助燃和超声雾化助燃的双重助燃效果相互促进，使得燃烧效率明显提高，燃油更加充分燃烧以减少HC、CO、ＰＭ2.5等污染物的产生。PLC智能控制***，可根据不同的功率要求，适应不同的工况，人工智能地控制PLC参数，实现富氧量、油气配比的控制和调节。
所述的变压吸附制氧***，根据发动机的输出功率要求，PLC（6）智能控制空气泵（1），通过调整空气泵的功率，产出所需量的富氧空气。
所述的变压吸附制氧***，根据不同的功率要求，PLC（6）向PLC智能流量控制阀门（7）发出信号，通过调整阀门的开放程度，调整富氧空气和燃油的流量，从而获得适当的油气配比。
超声油气混合***可以把进入油气混合室的富氧空气和燃油超声处理，破碎燃油的原始大分子团，同时使富氧空气以小气泡的形态弥散分布在燃油内，增加油气的接触面积，提高其反应活性，促进燃烧的充分进行。
通过上述设计，超声、富氧助燃装置将根据内燃机的工况需求，自动调节富氧生产量和燃油流量，以恰当的比例混合，以帮助内燃机提高燃烧效率、提高输出功率、降低燃油消耗、减少HC、CO、ＰＭ2.5等污染物的产生。本发明有助于各种内燃机的节能、减排，降低空气中ＰＭ2.5，改善空气质量。本发明适用于各种汽油发动机、柴油发动机、喷气发动机等各种内燃机。
附图说明
图1是本发明超声、富氧助燃装置的整体结构示意图；
PLC智能空气泵（1）、除尘器（2）、干燥器（3）、变压吸附制氧器（4）、真空泵（5）、PLC（6）、PLC智能控制流量阀门（7）、富氧空气输气管道（8）、输油管道（9）、超声波处理室（10）、超声波换能器（11）、内燃机（12）、排气***（13）、超声波发生器（14）。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白理解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
参照图1，超声、富氧助燃装置，包括PLC智能空气泵（1）、除尘器（2）、干燥器（3）、变压吸附制氧器（4）、真空泵（5）、PLC（6）、PLC智能控制流量阀门（7）、富氧空气输气管道（8）、输油管道（9）、超声波处理室（10）、超声波换能器（11）、内燃机（12）、排气***（13）、超声波发生器（14）。
在PLC智能空气泵（1）和除尘器（2）之间设有PLC智能控制流量阀门（7），用于调节进入变压吸附制氧器（4）的空气量。在富氧空气输气管道（8）上装有PLC智能控制流量阀门（7），用于调节进入超声波处理室（10）的富氧气体量。在输油管道（9）上装有PLC智能控制流量阀门（7），用于调节进入超声波处理室（10）的燃油流量。超声波换能器（11）安装在超声波处理室（10）内，与超声波发生器（14）相连，用于将超声波发生器的电流信号转化为超声波，对超声波处理室（10）内的油气进行处理。超声波处理室（10）与内燃机（12）相连，为内燃机（12）相连提供混合油气。内燃机（12）与排气***（13）相连，废气经过排气***（13）排出。
上述设计中，空气首先经过PLC智能空气泵（1）被加压后，经过除尘器（2）、干燥器（3）的处理，然后进入变压吸附制氧器（4），分离出富氧气体，由真空泵（5）抽出，通过PLC智能控制流量阀门（7）的控制，经过富氧空气输气管道（8），同时燃油受PLC智能控制流量阀门（7）的控制，经过输油管道（9），按照适当比例进入超声波处理室（10），混合油气再进入内燃机（12）燃烧，废气经过排气***（13）排出。采用超声波处理后的燃油雾化粒径远远小于普通雾化方式的油滴粒径。采用电喷等方式产生的燃油微粒直径在50μｍ左右，而采用超声波处理后的燃油微粒直径在1－5μｍ。更加细小的燃油微粒更加有利于燃油的充分燃烧，有利于减少内燃机（12）废气中的ＨＣ、ＣＯ、固体颗粒物等污染物。
PLC（6）将根据内燃机（12）的工况需求调节PLC智能空气泵（1）的功率和PLC智能控制流量阀门（7），从而调节富氧气体生产量和燃油流量，并且调节二者的配比，以实现内燃机（12）的最佳动力性能和燃油经济性。

Claims (7)

1.一种超声、富氧助燃装置，其特征在于该装置由变压吸附制氧***、PLC智能控制***、超声油气混合***、燃烧排气***组成；其中，变压吸附制氧***由：PLC智能控制空气泵（1）、除尘器（2）、干燥器（3）、变压吸附制氧器（4）、真空泵（5）、PLC智能流量控制阀门（7）、富氧空气输气管道（8）组成；超声油气混合***由：PLC智能流量控制阀门（7）、输油管道（9）、超声波处理室（10）、超声波换能器（11）组成；燃烧排气***主要由内燃机（12）、排气***（13）组成；PLC智能控制***由PLC智能控制空气泵（1）、PLC（6）、PLC智能流量控制阀门（7）组成；变压吸附制氧***超由PLC智能控制空气泵（1）、除尘器（2）、干燥器（3）、变压吸附制氧器（4）、真空泵（5）、PLC智能流量控制阀门（7）、富氧空气输气管道（8）依次相连；超声油气混合***由PLC智能流量控制阀门（7）、输油管道（9）、超声波处理室（10）、超声波换能器（11）依次连接；变压吸附制氧***中的PLC智能控制空气泵（1）、PLC智能流量控制阀门（7）和超声油气混合***的PLC智能流量控制阀门（7）与PLC（6）相连；在PLC（6）的控制下，超声油气混合***将由变压吸附制氧***产生的富氧空气和燃油混合，进入燃烧排气***，其中PLC智能空气泵（1）和PLC智能流量控制阀门（7）由PLC发出控制信号控制。
2.如权利要求1所述的一种超声、富氧助燃装置，其特征在于所述PLC控制***作为汽车电子控制***的一部分，受汽车电子控制***的控制，用于调节富氧生产量和燃油流量，以匹配发动机的工况需求。
3.如权利要求1所述的一种超声、富氧助燃装置，其特征在于所述PLC智能空气泵的功率由PLC控制，用于为变压吸附制氧器具有提供一定压力的空气。
4.如权利要求1所述的一种超声、富氧助燃装置，其特征在于所述的PLC智能控制空气泵和除尘器之间，真空泵与超声波处理室之间，燃油输入管路上，都设有智能控制流量阀门，均由PLC控制。
5.如权利要求1所述的一种超声、富氧助燃装置，其特征在于所述变压吸附制氧器与超声波处理室联通，用于向超声波处理室提供富氧。
6.如权利要求1所述的一种超声、富氧助燃装置，其特征在于所述超声波处理室与内燃机联通，用于向内燃机提供油气混合物。
7.如权利要求1-6所述的一种超声、富氧助燃装置的工作方法，其特征在于在工作中，空气首先经过空气泵被加压后，经过除尘、干燥处理，然后进入变压吸附制氧器，分离出富氧气体，由真空泵抽出，然后和燃油一起按照适当比例进入超声波处理室，混合油气再进入内燃机燃烧；采用超声波对富氧和燃油进行处理后，气体以小气泡形式弥撒分布在燃油内，均匀混合，雾化油滴粒径大大减小，富氧助燃和超声雾化助燃的双重助燃效果相互促进，使得燃烧效率明显提高，燃油更加充分燃烧以减少HC、CO、ＰＭ2.5污染物的产生。
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