一種基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統的制作方法

本發明涉及動力機械工程領域，特別涉及一種基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統。

背景技術：

內燃機可將液態或氣態化石燃料燃燒產生的熱能轉換為機械能，多用于汽車、中小型船舶等交通工具。隨著汽車保有量迅猛增長，內燃機的節能減排壓力日益緊迫。為了解決這些問題，現有方案多采用渦輪增壓來提高內燃機的功率，并采用催化轉化裝置對尾氣進行處理。但是，一方面空氣中氧氣含量只有20.946％，氮氣含量卻高達78.084％，利用渦輪增壓在增加氧氣進氣量的同時，氮氣增加量更大，但氮氣并不燃燒，相反還會帶走燃燒產生的熱量，造成能量浪費，還會在高溫下生成NO_X；另一方面，催化轉化裝置處理尾氣有使用限制，并不能很好地解決尾氣污染問題。富氧燃燒技術是一種節能環保的先進燃燒技術；由于供給燃燒的空氣含氧量增多，含氮量相對減少，燃燒所需空氣量及產生的煙氣量均相應減少，進而可獲得更高的燃燒溫度和更低的排煙熱損失，使燃燒更充分，實現節能；雖然燃燒溫度升高，但因進入燃燒系統的氮氣量減少且回收利用了部分排放廢氣，抑制了燃燒過程中NO_X的生成，可有效降低NO_X的排放量。但是，現有的內燃機富氧燃燒技術，例如公開號為CN103291505A的中國發明專利，需要消耗額外的動力來向內燃機供給富氧空氣，其結構復雜且成本較高。若能開發一種結構簡單緊湊、且僅由內燃機排氣廢熱驅動制取富氧空氣的進氣系統，將有助于普及富氧燃燒技術在內燃機上的應用。

公開于該背景技術部分的信息僅僅旨在增加對本發明的總體背景的理解，而不應當被視為承認或以任何形式暗示該信息構成已為本領域一般技術人員所公知的現有技術。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統，其體積緊湊、重量輕、成本低且可方便地與現有內燃機組合使用，從而克服：(1)現有的內燃機利用渦輪增壓在增加氧氣進氣量的同時，氮氣增加量更多，從而造成氮氣帶走熱量和增加NO_X生成的缺點；(2)現有內燃機富氧燃燒技術需額外消耗動力來制取富氧空氣的缺點。

為實現上述目的，本發明提供了一種基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統，其中，包括：氧氣富集室，其內腔被分隔成一熱腔和一冷腔；所述熱腔和所述冷腔通過微通道組連通，所述微通道組中每個微通道的特征尺寸不大于氧氣分子的平均自由程且大于氮氣分子的平均自由程；所述冷腔設置有一冷腔進氣口和一冷腔排氣口，所述熱腔設置有一熱腔排氣口；導熱管，其穿過所述熱腔，且該導熱管位于所述熱腔內的管壁的材質為導熱材料；該導熱管內流動有熱介質，以提高所述熱腔內的溫度；空氣輸送管，其一端與所述冷腔進氣口連接，以向所述冷腔輸送空氣；冷腔排氣管，其一端與所述冷腔排氣口連接；以及熱腔排氣管，其一端與所述熱腔排氣口連接，且該熱腔排氣管的另一端與內燃機的氣缸連接。

優選地，上述技術方案中，所述氧氣富集室的壁體上設置有保溫層。

優選地，上述技術方案中，所述導熱管的一端與內燃機的排氣管連接，且所述導熱管的另一端設置有一廢氣流量調節閥。

優選地，上述技術方案中，所述熱腔排氣管的另一端通過一氣體混合室與內燃機的氣缸連接；所述氣體混合室設置有第一混合室進氣口、第二混合室進氣口和混合室排氣口，所述第一混合室進氣口與所述熱腔排氣管的另一端連接，且所述混合室排氣口通過一混合室排氣管與內燃機的氣缸連接；所述第二混合室進氣口通過一廢氣管與所述導熱管連接，所述廢氣管與所述導熱管的連接處位于所述熱腔與所述廢氣流量調節閥之間。

優選地，上述技術方案中，所述混合室排氣管上設置有一混合氣流量調節閥。

優選地，上述技術方案中，所述導熱管的一端通過一渦輪增壓器的渦輪機與內燃機的排氣管連接；所述空氣輸送管的另一端與所述渦輪增壓器的壓氣機的出口連接，所述渦輪增壓器的壓氣機的進口與一壓氣機進氣管連接。

優選地，上述技術方案中，所述空氣輸送管上設置有一中冷器。

優選地，上述技術方案中，所述壓氣機進氣管上設置有一空氣濾清器。

與現有技術相比，本發明具有如下有益效果：

1、本發明的氧氣富集室的熱腔由導熱管進行加熱，以使熱腔與冷腔之間具有溫差，從而在微通道組中產生熱流逸效應，空氣中的氧氣和少量氮氣從冷腔經過微通道組進入熱腔，以在熱腔內聚集富氧空氣，富氧空氣再通過熱腔排氣管輸送給內燃機的氣缸，未能通過微通道組進入熱腔的富氮空氣在冷腔中聚集并最終從冷腔排氣口排出。本發明通過把氧氣富集室制得的去除大部分氮氣后的富氧空氣輸送給內燃機的氣缸，使得燃料燃燒更加充分，從而降低油耗，提高內燃機的輸出功率和扭矩，并減少CO、NO_X等大氣污染物的排放。

2、本發明的導熱管與內燃機的排氣管連接，導熱管通過引入內燃機排出的高溫廢氣來加熱熱腔，以回收利用廢氣能量，不需額外能量即可制取富氧空氣，并降低廢氣排放的溫度。

3、本發明通過設置氣體混合室使富氧空氣與一定量的廢氣混合后再一起輸送給內燃機的氣缸，以使本發明與內燃機的廢氣再循環系統結合，進一步提高內燃機的性能和降低污染物的排放。

4、本發明的導熱管和空氣輸送管與渦輪增壓器連接，以進一步提高對廢氣能量的利用。

附圖說明

圖1是根據本發明基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統的結構示意圖。

圖2是根據本發明的氧氣富集室的立體半剖結構示意圖。

圖3是根據本發明的氧氣富集室的對熱腔進行局部剖的結構示意圖

主要附圖標記說明：

1-氧氣富集室，2-微通道組，3-熱腔，4-冷腔，5-冷腔進氣口，6-冷腔排氣口，7-熱腔排氣口，8-導熱管，9-空氣輸送管，10-冷腔排氣管，11-熱腔排氣管，12-內燃機，13-燃料輸送管，14-燃料流量調節閥，15-排氣管，16-排氣流量調節閥，17-廢氣流量調節閥，18-氣體混合室，19-第一混合室進氣口，20-第二混合室進氣口，21-混合室出氣口，22-混合室排氣管，23-廢氣管，24-混合氣流量調節閥，25-渦輪增壓器，26-渦輪機，27-壓氣機，28-壓氣機進氣管，29-中冷器，30-空氣濾清器；31-微通道。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式進行詳細描述，但應當理解本發明的保護范圍并不受具體實施方式的限制。

除非另有其它明確表示，否則在整個說明書和權利要求書中，術語“包括”或其變換如“包含”或“包括有”等等將被理解為包括所陳述的元件或組成部分，而并未排除其它元件或其它組成部分。

圖1至圖3顯示了根據本發明優選實施方式的一種基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統的結構示意圖，該基于熱流逸效應的內燃機富氧燃燒的進氣系統包括氧氣富集室1、導熱管8、空氣輸送管9、冷腔排氣管10以及熱腔排氣管11，參考圖2和圖3，氧氣富集室1為中空體結構，且其內腔被分隔成一熱腔3和一冷腔4，熱腔3和冷腔4之間通過微通道組2連通，微通道組2中每個微通道31的特征尺寸不大于氧氣分子的平均自由程且大于氮氣分子的平均自由程。由于空氣中氮氣含量為78.084％，氧氣含量為20.946％，二氧化碳、稀有氣體、水蒸氣等含量只有約0.97％，所以分離的重點在于主體成分氧氣、氮氣的分離，鑒于在相同溫度、壓力條件下，氧氣分子平均自由程大于氮氣分子平均自由程，在設計工況及常規變工況范圍內，當熱腔3的溫度高于冷腔4的時，由于熱流逸效應的作用，冷腔4內空氣中的氧氣分子始終可以通過微通道組2進入到熱腔3中，氮氣分子卻不能通過微通道組2，只有當壓力、溫度等變化至較極端的區間時，氮氣分子才有可能從微通道組2進入到熱腔3，因此，本發明的整體效果體現為在氧氣富集室1制得富氧空氣。冷腔4設置有一冷腔進氣口5和一冷腔排氣口6，熱腔3設置有一熱腔排氣口7。導熱管8穿過熱腔3，且導熱管8位于熱腔3內的管壁的材質為導熱材料，導熱材料可以為銅合金或鋁合金等，導熱管8內流動有熱介質，以提高熱腔3內的溫度。導熱管8也可以整體采用相同的導熱材料制作。優選地，氧氣富集室1的壁體上設置有保溫層，以有效維持氧氣富集室1的工作溫度。空氣輸送管9的一端與冷腔進氣口5連接，以向冷腔4輸送空氣，冷腔排氣管10的一端與冷腔排氣口6連接。熱腔排氣管11的一端與熱腔排氣口7連接，且熱腔排氣管11的另一端與內燃機12的氣缸連接。內燃機12的燃料輸送管13把燃料輸送到氣缸與富氧空氣進行混合后燃燒，燃料輸送管13設置有燃料流量調節閥14以調節進入氣缸內的燃料量。

本發明的導流管8中流動的熱介質流經導流管8位于熱腔3內的部分時，通過導流管8的側壁把熱量傳遞給熱腔3，從而使熱腔3內的溫度高于冷腔4的溫度，當空氣輸送管9把空氣輸送入冷腔4中時，由于熱腔3與冷腔4之間具有溫度差，從而在微通道組2中產生熱流逸效應，空氣中的氧氣和少量氮氣從冷腔4經過微通道組2進入熱腔3，以在熱腔3中聚集成富氧空氣，熱腔3中的富氧空氣再通過熱腔排氣管11輸送給內燃機12的氣缸，而冷腔4內聚集的富氮空氣直接從冷腔排氣口6通過冷腔排氣管10向外排出。本發明通過把氧氣富集室1制得的去除大部分氮氣后的富氧空氣輸送給內燃機12的氣缸，使得燃料燃燒更加充分，從而降低燃料消耗，提高內燃機12的輸出功率和扭矩，并減少CO、NO_X等大氣污染物的排放。

進一步地，參考圖1，導熱管8的一端與內燃機12的排氣管15連接，且導熱管8的另一端設置有一廢氣流量調節閥17，導熱管8通過流動內燃機12排出的高溫廢氣來對熱腔3進行加熱，以提高對廢氣能量的利用，并降低廢氣排放的溫度。廢氣流量調節閥17用于控制導流管8內的廢氣流量，以控制熱腔3內的溫度。另外，還可在內燃機12的排氣管15上設置排氣流量調節閥16，以綜合控制導流管8內的廢氣流量。進一步優選地，繼續參考圖1，熱腔排氣管11的另一端通過一氣體混合室18與內燃機12的氣缸連接，氣體混合室18設置有第一混合室進氣口19、第二混合室進氣口20和混合室排氣口21，第一混合室進氣口19與熱腔排氣管11的另一端連接，且混合室排氣口21通過一混合室排氣管22與內燃機12的氣缸連接。第二混合室進氣口20通過一廢氣管23與導熱管8連接，廢氣管23與導熱管8的連接處位于熱腔3與廢氣流量調節閥17之間。本發明通過設置氣體混合室18使富氧空氣與一定量的廢氣混合后再一起輸送給內燃機12的氣缸，以使本發明與內燃機12的廢氣再循環系統結合，其不需要額外能量，以進一步提高內燃機12的性能和降低污染物的排放。進入氣體混合室18內的廢氣也可以通過排氣流量調節閥16和廢氣流量調節閥17進行控制。排氣流量調節閥16和廢氣流量調節閥17調節加熱熱腔3后的再循環廢氣直接排入大氣的排放量，進而控制進入氣體混合室18的再循環廢氣流量，以滿足所述內燃機12在不同工作負荷下的要求。優選地，混合室排氣管22上設置有一混合氣流量調節閥24，以根據內燃機12的功率調節進入內燃機12的氣缸內的富氧空氣和廢氣混合物的總量。

進一步地，繼續參考圖1，導熱管8的一端通過一渦輪增壓器25的渦輪機26與內燃機12的排氣管15連接，空氣輸送管9的另一端與渦輪增壓器25的壓氣機27的出口連接，渦輪增壓器25的壓氣機27的進口與一壓氣機進氣管28連接。排氣管15的高溫廢氣流經渦輪機26后再進入導熱管8，高溫廢氣依靠慣性沖力推動渦輪機26的葉輪旋轉，并通過增壓器軸帶動壓氣機27的葉輪旋轉，以驅動渦輪增壓器25工作，使壓氣機27把空氣進行壓縮后再通過空氣輸送管9輸送給冷腔4。本發明的導熱管8和空氣輸送管9與渦輪增壓器25連接，以進一步提高對廢氣的能量的利用，從而在減少廢氣能量浪費的同時，增加空氣的進氣量，提高內燃機的動力性能。排氣流量調節閥16能夠調節排氣管15排入大氣的廢氣流量，進而控制推動渦輪機26的葉輪和進入導熱管8的廢氣流量。優選地，空氣輸送管上設置有一中冷器29，中冷器29用于降低經渦輪增壓器25壓縮處理后的空氣的溫度。進一步優選地，壓氣機進氣管28上設置有一空氣濾清器30，空氣濾清器30用于消除空氣中的微粒雜質，最終為內燃機12中燃料燃燒提供清潔的富氧空氣，避免微粒雜質對氣缸壁、活塞等部件的磨損。

前述對本發明的具體示例性實施方案的描述是為了說明和例證的目的。這些描述并非想將本發明限定為所公開的精確形式，并且很顯然，根據上述教導，可以進行很多改變和變化。對示例性實施例進行選擇和描述的目的在于解釋本發明的特定原理及其實際應用，從而使得本領域的技術人員能夠實現并利用本發明的各種不同的示例性實施方案以及各種不同的選擇和改變。本發明的范圍意在由權利要求書及其等同形式所限定。