CN104912653A - 汽车发动机增压与尾气净化的技术及组合 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车发动机增压器和尾气净化器技术，并将两者组合成为一体，使汽车发动机的节油减排效果最佳，有利于自然环境大气的保护。安装在发动机空滤器(1)内的双涡轮气泵(4)将空气(2)通过两次双重增压形成增压涡流(6)，通过节气门(8)调节，进入发动机气缸(12)，经压缩后提高了发动机相对压缩比，混合气体燃烧后，发动机功率增加而燃油相对减少。排出的尾气污染物(26)、(24)进入尾气净化器(42)(19)(18)(17)(16)进行净化处理，净化处理采用碱液(19)吸收法和固体(18)(16)吸附法两种方式组合处理。净化后的气体(14)通过净化排气管(15)排向大气。(38)为同步控制器总成，它能保持发动机增压和尾气净化同步进行。尾气净化器进气管(23)内装有尾气增压气泵(42)，为尾气污染物气体增压。车载蓄电池(40)为同步控制器总成提供电能。

Description

汽车发动机增压与尾气净化的技术及组合

技术领域

本发明型属于汽车发动机节油减排技术，具体涉及一种增压器和发动机尾气的机外净化处理技术，并将增压和尾气净化技术完整组合成为一体，使发动机的节油减排达到最佳效果，有利于减少燃油消耗和保护自然大气环境。

背景技术

理论和实践表明：在不改变燃油种类的条件下，增加发动机的空气量可以明显地提高发动机的动力性能，降低油耗及污染物气体的排放。

传统的机械增压和废气涡轮增压技术，机械增压消耗发动机功率大，废气涡轮增压具有低转速增压不明显和增压迟滞现象的缺点，且两种增压装置的生产成本昂贵，特别是废气涡轮增压的后期维护保养成本高。

本新型增压器采用高性能的直流无刷电机作动力，由车载蓄电池提供电能，不直接消耗发动机功率，由电机带动双涡轮气泵增压，其特点是用微处理器电控技术控制电机动力，能够使发动机增压进气量和发动机空气需求量保持完全同步一致供给，发动机在低转速，中转速及高转速均有增压作用，没有增压迟滞现象，而且生产成本和后期保养成本远低于机械增压和废气涡轮增压，据此可将本技术简称为电控双涡轮增压。

发动机工作后排放的尾气在机外进行净化处理，主要针对污染物微粒(PM)和氮氧化物(NO_x)进行净化处理，对微粒(PM)用碱溶液物理溶解吸收除尘，对氮氧化物(NO_x)采用同一碱溶液化学吸收脱硝，再将残余的微粒(PM)和氮氧化物(NO_x)进一步用固体物质物理吸附，经过两种方法组合净化处理后，发动机排放的尾气能够达标排放。

上述的发动机增压和尾气净化处理通过微处理器的同步控制器总成进行控制，使其发动机增压和尾气净化处理两者成为一体同步运行，以获得发动机增压和尾气净化的最大效率。

发明内容

将双涡轮气泵安装在自然吸气式发动机空气滤清器内或相应的发动机进气管中。

电控双涡轮气泵动力采用高性能无刷直流外转子式电机，外转子磁极用稀土材料作高导磁磁极，以减少电机体积和增加电机转矩和转速，外转子转轴两端各装一组涡轮叶片，构成单电机单轴双涡轮结构，电机用车载蓄电池提供电能。

通过空气滤清器的过滤空气经过双涡轮气泵，双涡轮气泵电机在同步控制器总成的控制下，驱动双涡轮气泵对过滤空气进行两次双重预压缩增压，随着空气量的增加，喷油器在车载(ECU)的指令下也相应的增加了循环供油量，来维持发动机的空燃比基本不变，经过活塞将混合气体压缩后，提高了发动机的相对压缩比，点燃混合气体充分燃烧，热能和热效率获得提高，发动机的动力性能得到提高和改善，同时混合气体充分燃烧后，尾气污染物的生成量相应的得到减少，发动机排放的尾气污染物随之减少。

发动机增压后减少燃油的消耗率体现在两个方面：其一是提高了发动相对压缩比，混合气体充分燃烧后热效率提高，在发动机原有功率和转矩下，燃油的消耗率下降，其二是保证发动机原有功率和转矩下，可适当降低发动机的转速，发动机的机械损失和磨损减少，机动车整车动能增加，驾驶员不必加油车速仍然较高，相对于燃油的消耗率得到减少和下降。

为保证增压空气量与发动机工况需求量供给一致，同步控制器总成具有增压同步控制特性。

同步控制器总成内部有微处理器，它的控制信号取自于发动机节气门的开度信号，为不影响原车载(ECU)的控制特性，采用匹配器电路对开度信号进行平衡。开度信号真实的反映了发动机工况对空气的需求量，通过微处理器程序设计开发，对开度信号进行A/D转换、编程、存储，D/A转换，信号输出至功率驱动器，功率驱动器电路有两组，功率驱动器I组驱动进气双涡轮气泵电机，电机转速调节变化和开度信号变化一致，故同步控制器总成能够控制和保持增压空气量和发动机工况空气需求量一致，实现发动机工况同步增压。

功率驱动器II组驱动尾气增压气泵，尾气增压气泵对发动机尾气污染气体增压，为发动机尾气污染物净化创造条件。

双涡轮气泵运转时具有双重功能，首先是涡轮对空气流预压缩增压形成涡流空气流，其次是涡轮旋转时将进气总管动态封闭，气流只能单向吸入，气流不能回流，旋转涡轮和进气总管成为发动机的附加储气装置，储气装置为提高发动机充气系数和发动机的进气动态效应，创造了优良的外部条件，对发动机增压十分有利。

在上述过程中高速进气流风能和车载蓄电池的电能推动双涡轮气泵电机旋转，气缸活塞配合吸气，双涡轮气泵电机对车载蓄电池电能消耗小，由某种原因导致同步控制器总成不工作时，双涡轮气泵电机在进气风能和气缸吸气共同作用下，双涡轮气泵电机仍能照常自动运转，发动机和汽车的安全性不受影响。

将双涡轮气泵安装在空气滤清器内，可以减少发动机的泵气损失，杜绝了空气滤滑器因脏堵而引发的发动机冒黑烟现象，有利于环保。

电控双涡轮增压的工作过程

发动机怠速状态，在同步控制器总成指令下，双涡轮气泵电机由进气风能带动气泵涡轮自动旋转，进气总管被旋转涡轮动态封闭具有储气功能，发动机怠速进气量稍有增加使进气量稳定，发动机怠速下的稳定性得到提高。

低中速状态下，在同步控制器总成的指令下，驱动器I组控制双涡轮气泵电机泵气，气流风能和气缸活塞自然吸气三者共同作用，使双涡轮气泵电机获得极高的转速将进气流预压缩形成涡流，进入气缸与燃油充分混合，点火充分燃烧后增加了燃烧热效率，在车载(ECU)指令下，喷油器循环供油量增加，发动机低中速功率增大。

高速状态，在同步控制器总成指令下，驱动器I组驱动双涡流气泵电机获得最高转速，空气流增压到最大，同时循环供油量达到最大，发动机获得最大功率。减速时，上述过程相反。

尾气净化器的基本构造、污染物净化原理及尾气增压气泵的作用

发动机的尾气污染物在机外尾气出口处，通过尾气净化器针对微粒(PM)和氮氧化物(NO_x)进一步作净化处理。

尾气净化器的基本构造为集成式耐酸碱腐蚀的容器，容器的外壳有一层防撞击材料的保护外壳，容器的进气口与发动机尾气出气口之间采用快速接头的软性管连接，容器内部分上、中、下三层结构，容器的下层盛装15～30％浓度的碱溶液，中层隔装的固体物质为多层蜂窝状活性炭，中间用网板隔离，最上层为13X型的分子筛至净化排气出口。

尾气排出的污染物微粒(PM)和氮氧化物(NO_x)采用碱液吸收法和吸附法两种方法相结合的方式进行净化处理。

碱溶液作为吸收剂有多种选择，可选用15～30％的氢氧化钠(NaOH、片碱市售化工产品)与水按比例混合成吸收液，吸收液安全可靠，其中微粒(PM)被吸收液物理溶解除尘。

考虑到发动机尾气最初排放的氮氧化物(NOx)中，占95％的一氧化氮(NO)不会和氢氧化钠(NaOH)直接发生反应，应先将一氧化氮(NO)与空气中的氧(O)发生反应：

2NO+O₂＝2NO₂

生成二氧化氮(NO₂)，此过程通过尾气增压气泵吸入一氧化氮(NO)和由尾气净化器通气口外界空气中的氧(O)同时混合完成。

二氧化氮(NO₂)再与氢氧化钠(NaOH)发生化学反应：

2NO₂+2NaOH＝NaNO₃+NaNO₂+H₂O

生成硝酸钠(NaNO₃)、亚硝酸钠(NaNO₂)和水(H₂O)溶液，气体中的氮氧化物(NO_x)被脱硝去除。

经过初步净化的气体，再次通过蜂窝状活性炭和13X分子筛进一步对残余的微粒(PM)和氮氧化物(NO_x)进行物理吸附处理，其中尾气中的二氧化碳(CO₂)气体也能一定量的被吸附清除。

发动机尾气经上述过程净化处理后，达到符合国家的环保标准后排放到大气中。

尾气增压气泵的作用

同时吸入发动机尾气最初排放的氮氧化物(NO_x)中占有95％的一氧化氮(NO)和外界空气中的氧(O)，与之发生反应，生成二氧化氮(NO₂)，便于碱溶液化学吸收二氧化氮(NO₂)有利于氮氧化物(NO_x)在碱溶液中脱硝。

尾气增压气泵吸气能够使发动机排气管的真空度增加，真空度的增加有利于减少发动机排气时的功率损失，另一方面使污染物气体形成压力气体，压力气体能够克服碱溶液、蜂窝状活性炭、13X分子筛对气体的阻力并加速净化，将净化后的气体能顺利排出机外。

在同步控制器总成控制指令下，由功率驱动器II组驱动尾气增压气泵电机，并保持和双涡轮气泵电机进气增压同步运转，使尾气净化器和发动机排出的污染物气体量保持同步净化脱硝，有利于提高净化器净化效率和节省电能。

尾气净化器中装有PH值检测装置，当碱溶液中的PH值达到一定值后，检测信号在驾驶室仪表上显示，提示对氢氧化钠(NaOH)碱溶液、活性炭、分子筛作回收更换，回收的碱溶液集中作无公害化处理，碱溶液中的硝酸钠、亚硝酸钠经过处理可作工业原料，有一定的经济价值，活性炭和分子筛经清理后可循环使用。

根据以上技术特征，将尾气净化器通俗称为汽车尾气包。

附图说明

说明书附图是本发明型双涡轮增压气泵、同步控制器总成和尾气净化器的基本结构，具体实施及工作过程示意图。

双涡轮增压气泵、同步控制器总成和尾气净化器的基本结构

双涡轮气泵由无刷外转子式电机(4)和双涡轮叶片(3)(5)构成。同步控制器总成(38)，同步控制器总成(38)内置微处理器和功率驱动器，功率驱动器分I组、II组。功率驱动器I组(37)输出电机动力线(35)，功率驱动器II组(39)输出电机动力线(41)，尾气净化器外部由进气管快速接头(27)，尾气增压气泵(42)进气管(23)，进气管(23)上装有和外界大气相通的进气口(25)，(15)为净化气体排气管。尾气净化器外壳体由防撞击耐酸碱材料(22)定型制作。尾气净化器内部分为上、中、下三层结构组成。

下层内盛装15～30％的氢氧化钠(NaOH)碱溶液(19)，PH值检测计(20)和PH值输出信号(21)。

中层有网状隔板(17)隔开氢氧化钠(NaOH)碱溶液，中层内装蜂窝状活性炭(18)，用网状隔板(17)隔离蜂窝状活性炭，上层内装13X型分子筛颗粒(16)，净化气体排气管(15)安装在上层。车载蓄电池(40)为同步控制器总成(38)提供电能。

具体实施

将双涡轮气泵(3)(4)(5)装在空气滤清器(1)中，同步控制器总成(38)安装在汽车发动机机舱相应的空隙处，尽量与车载(ECU)位置靠近，以保持和(ECU)环境温度大致相同。

尾气净化器安装在汽车尾部尾翼内侧并固定，靠近原发动机排气管便于快速接头连接，尾气净化器的安装不影响汽车整体外观。

工作过程

通过空气滤清器(1)的过滤空气(2)经双涡轮气泵(3)(4)(5)后，形成涡流气流(6)，经异物过滤网(7)进入节气门(8)调节，进入进气总管(9)，形成涡流气流(10)并动态封闭，进气门(11)打开时，涡流气流(10)进入气缸(12)，喷油器(31)在(ECU)通过(32)的控制下喷油，并和涡流气流(10)混合，经活塞(13)压缩，点火线圈(30)点火，混合气体燃烧后由排气门(29)通过发动机排气管(28)排出尾气。

在尾气增压气泵(42)作用下，与外界通气口(25)空气混合形成混合气体(26)，混合气体以二氧化氮(N02)为主。

同步控制器总成(38)，它的控制信号取自于节气门(8)的节气门信号(33)，经匹配器电路(34)送至同步控制器总成(38)作为输入信号(36)，通过同步控制器总成处理后，由内部分别送至功率驱动器I组(37)功率驱动器II组(39)，功率驱动器I组的电机动力线(35)送至双涡轮气泵电机(4)，控制电机(4)的转速。从而可控制发动机增压空气量，并保持和发动机工况空气需求量同步供给。

功率驱动器II组(39)的电机动力线(41)输送至尾气增压气泵(42)，尾气增压气泵(42)将尾气污染物和外界大气相通的进气口(25)空气混合增压，形成压力污染物气体(24)，压力污染物气体(24)通过氢氧化钠(NaOH)碱溶液(19)，其中微粒(PM)被碱溶液(19)物理吸收除尘，氮氧化物(NO_x)被碱溶液(19)化学脱硝，残余的微粒(PM)、氮氧化物(NO_x)再次通过网状隔板(17)，蜂窝状活性炭(18)、13X型分子筛颗粒(16)物理吸附，同时，污染物中的二氧化碳(C0₂)也能被部分吸附清除。净化达标的尾气(14)经净化排气管(15)排向大气。

PH值检测计(20)安放在氢氧化钠(NaOH)碱溶液(19)中，检测信号(21)输出至驾驶室仪表盘，显示PH值达到一定值后，提示驾驶员对氢氧化钠(NaOH)碱溶液，活性炭，分子筛颗粒，集中回收作无公害化处理。

现已将双涡轮增压气泵安装在1.6L汽车发动机上，进行了实地行车实验，其实验结果显示汽车的动力性、加速性得到提升，燃油消耗和尾气污染物排放量都减少，乘员的舒适度也得到提高。

Claims (4)

1.汽车发动机增压器采用直流无刷外转子式电机作动力由车载蓄电池供电，其转子用稀土材料制作高导磁磁极，外转轴两端各装一组涡轮叶片，构成单电机单轴双涡轮气泵结构。

2.同步控制器总成的输入信号取自节气门开度信号，同步控制器总成内部设置微处理器，功率驱动器，自行设计的程序能分别控制进气增压双涡轮气泵和尾气增压气泵的转速，并能保持发动机工况空气量需求同步一致。

3.尾气净化器内置尾气增压气泵，在同步控制器总成的控制下能与发动机增压器同步工作，尾气净化器内部结构能够盛装吸收液体和固体吸附材料，处理尾气污染物的方法为液体吸收法和固体吸附法的组合方式进行，其中吸收液首选为15～30％的氢氧化钠，固体吸附材料为蜂窝状活性炭和13X型分子筛。

4.汽车尾气净化器中的碱溶液吸收剂氢氧化钠和多孔性固体物质活性炭，13X型分子筛，在试验过程中，可以更换为其它物质的吸收剂和吸附材料，至到汽车发动机尾气能够达标排放为止。