一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统及方法

1.本发明创造属于汽车技术领域，尤其是涉及一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统及方法。

背景技术：

2.近年来，内燃机汽车大量运用涡轮增压技术，通过增加内燃气缸内空气量，实现输出动力比自然吸气内燃机提升20％-30％，目前汽车界没有更好的办法继续提升输出动力。为了解决内燃机汽车输出动力在涡轮增压技术基础上再次突破问题，发明了一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统。

技术实现要素：

3.有鉴于此，本发明创造旨在提出一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，以解决现有涡轮增压相比自然吸气只能提升20-30％输出动力的技术瓶颈问题。
4.为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
5.一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，包括电解水装置、氢燃料电池、变压直流电源、散热冷凝器、尾气涡轮发电机和总控制器；
6.所述电解水装置为三根竖管组成的连通器，其中中管为储水管，储水管的顶部设有注水口，左管为制氢管，右管为制氧管，在制氢管和制氧管的底部分别设置阴极柱和阳极柱，制氧管顶部的出气口与氧气管连通，氧气管与汽车化油器连接，制氢管顶部的出气口与氢气管的一端连通，阳极柱和阴极柱与变压直流电源连接；
7.所述氢燃料电池包括氢气室、空气室、阴极材料、阳极材料和质子交换膜，阴极材料和阳极材料之间设置质子交换膜，阴极材料在外部的阴极桩通过导线与变压直流电源上的阴极相连接，阳极材料在外部的阳极桩与变压直流电源上的阳极相连接；
8.阴极材料的一侧为氢气室，阳极材料的一侧是空气室，氢气室的氢气入口与氢气管的另一端连通，空气室的进风口与进气管连通，空气室的出风口直接与大气连通，在进气管上安装风机；
9.氢燃料电池的出风口与散热冷凝器的进水口连通，散热冷凝器的出气口与大气连通，散热冷凝器的出水口通过导水管与储水管的注水口连通；
10.尾气涡轮发电机与变压直流电源连接；总控制器与风机和尾气涡轮发电机电连接，总控制器与变压直流电源和电解水装置连接。
11.更进一步的，在制氢管内部靠近出气口处设有第一轻压通气阀，在制氧管内部靠近出气口处设有第二轻压通气阀。
12.更进一步的，出风口内的流体为氢燃料电池工作产生的含有大量水蒸汽的空气。
13.更进一步的，阳极材料为含镍阳极材料，阴极材料为含铂阴极材料。
14.更进一步的，在制氧管上设有氧气纯度流量传感器，氧气纯度流量传感器与汽车电脑相连接。
15.更进一步的，变压直流电源为汽车上原有的直流蓄电池。
16.更进一步的，散热冷凝器的出水口位于下部，散热冷凝器的出气口位于上部。
17.更进一步的，所述总控制器能与汽车油门踏板联动以调节增氧系统的电流，实现汽车加速减速与增氧减氧自动控制。
18.更进一步的，在所述进气管上设有空气过滤器。
19.本发明创造的另一目的在于提出一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统的工作方法，具体包括：
20.当汽车在行驶状态，总控制器电路接通为电解水装置供电，电解水装置工作，从制氢管产生氢气，从制氧管产生氧气，氧气通过氧气管供给汽车化油器，氢气则经过氢气管进入氢燃料电池的氢气室，空气通过风机和进气管进入空气室，氢燃料电池工作产生电供给变压直流电源，氢气燃料电池产生的水蒸气由空气室下部的出风口排出进入散热冷凝器，经冷凝后的液态水从出水口通过一根导水管将水输送到电解水装置上端的注水口中，其他气体从出气口排出；同时尾气涡轮发电机发电供给变压直流电源。
21.与现有技术相比，本发明创造所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统的有益效果是：
22.(1)本发明创造所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，创造性地将电解水原理与氢燃料电池工作原理进行结合，实现对汽车化油器直接提供氧气，突破涡轮增压相比自然吸气只能提升20-30％输出动力的技术瓶颈，达到输出动力成倍提升效果；采用制氧装置直接向汽车化油器供应100％纯度氧气，大大提高油气混合物中氧气浓度，使进入气缸的氧气浓度通常能增加1倍即达到42％；理论上发动机输出功率提升了1倍。
23.(2)本发明创造所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，为了满足电解水过程所需的较多电能，设计了氢能源循环利用、汽车尾气动能发电回收装置，缓解电能缺口，减少汽车燃油消耗。由于电解水装置需要使用纯净水，设计了水循环利用解决办法，大大减少了电解用纯净水的人工添加次数。
24.(3)本发明创造所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，设计合理、系统稳定、解决思路新颖，技术方案具有新颖性、革命性、创造性、实用性，市场前景良好。
附图说明
25.构成本发明创造的一部分的附图用来提供对本发明创造的进一步理解，本发明创造的示意性实施例及其说明用于解释本发明创造，并不构成对本发明创造的不当限定。在附图中：
26.图1为本发明创造实施例所述的氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统的原理示意图。
27.附图标记说明：
28.1、电解水装置；1-1、储水管；1-2、制氢管；1-3、制氧管；1-4、第一轻压通气阀；1-5、第二轻压通气阀；1-6、阴极柱；1-7、阳极柱；1-8、注水口；1-9、氧气纯度流量传感器；1-10、氧气管；1-11、汽车化油器；1-12、氢气管；2、变压直流电源；3、氢燃料电池；3-1、氢气入口；3-2、阴极材料；3-3、阴极桩；3-4、阳极材料；3-5、阳极桩；3-6、风机；3-7、出风口；3-8、质子交换膜；3-9、进气管；4、散热冷凝器；4-1、出气口；4-2、出水口；4-3、导水管；5、尾气涡轮发
电机；6、总控制器。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明创造的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明创造保护的范围。
30.在本发明创造的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
32.此外，下面所描述的本发明创造不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
33.如图1所示，一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，包括电解水装置1、氢燃料电池3、变压直流电源2、散热冷凝器4、尾气涡轮发电机5和总控制器6；
34.所述电解水装置1为三根竖管组成的连通器，其中中管为储水管1-1，储水管1-1的顶部设有注水口1-8，左管为制氢管1-2，右管为制氧管1-3，在制氢管1-2和制氧管1-3的底部分别设置阴极柱1-6和阳极柱1-7，制氧管1-3顶部的出气口与氧气管1-10连通，氧气管1-10与汽车化油器1-11连接，制氢管1-2顶部的出气口与氢气管1-12的一端连通，阳极柱1-7和阴极柱1-6与变压直流电源2连接；
35.所述氢燃料电池3包括氢气室、空气室、阴极材料3-2、阳极材料3-4和质子交换膜3-8，阳极材料3-4为含镍阳极材料，阴极材料3-2为含铂阴极材料；阴极材料3-2和阳极材料3-4之间设置质子交换膜3-8，阴极材料3-2在外部的阴极桩3-3通过导线与变压直流电源2上的阴极相连接，阳极材料3-4在外部的阳极桩3-5与变压直流电源22上的阳极相连接；
36.阴极材料3-2的一侧为氢气室，阳极材料3-4的一侧是空气室，氢气室的氢气入口3-1与氢气管1-12的另一端连通，空气室的进风口与进气管3-9连通，空气室的出风口3-7直接与大气连通，在进气管3-9上安装风机3-6，通过风机3-6的作用使空气室实现空气流通；
37.氢燃料电池3的出风口3-7与散热冷凝器4的进水口连通，散热冷凝器4的出气口4-1与大气连通，散热冷凝器4的出水口4-2通过导水管4-3与储水管1-1的注水口1-8连通；出风口3-7内的流体为氢燃料电池3工作产生的含有大量水蒸汽的空气；散热冷凝器4的出水口4-2位于下部，供液态水排出用，散热冷凝器4的出气口4-1位于上部，供气体排出用；
38.尾气涡轮发电机5与变压直流电源2连接；总控制器6与风机3-6和尾气涡轮发电机5电连接，总控制器6与变压直流电源2上的阳极和电解水装置1的阳极柱1-7连接。
39.在制氢管1-2内部靠近出气口处设有第一轻压通气阀1-4，作用是防止管中的水进入氢气管1-12，在制氧管1-3内部靠近出气口处设有第二轻压通气阀1-5，作用是防止管中的水进入氧气管1-10。
40.在制氧管1-3上设有氧气纯度流量传感器1-9，氧气纯度流量传感器与汽车电脑电连接。
41.变压直流电源2为汽车上原有的直流蓄电池，并非本系统另设的直流电源，它与电解水装置1、氢燃料电池3、尾气涡轮发电机5和总控制器6相连接，负责输出或接收电能。
42.在所述进气管3-9上设有空气过滤器，确保吸入的空气纯净。
43.本技术利用电解水原理，制取100％纯度的氢气和氧气，将氧气输入汽车化油器；利用氢燃料电池实现氢能源循环利用技术，节省电能消耗；利用尾气涡轮发电机收集电能，进一步节约电能消耗；利用散热冷凝器将氢燃料电池输出的气体中水蒸汽凝结成水，回馈给电解水装置使用；总控制器能与汽车油门踏板联动以调节增氧装置电流，实现汽车加速减速与增氧减氧自动控制。
44.本技术还提供一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统的工作方法，具体包括：
45.当汽车在行驶状态，总控制器6的电路接通为电解水装置1供电，电解水装置1工作，从制氢管1-2产生氢气，从制氧管1-3产生氧气，氧气通过氧气管1-10供给汽车化油器1-11，氢气则经过氢气管1-12进入氢燃料电池3的氢气室，空气通过风机3-6和进气管3-9进入空气室，氢燃料电池3工作产生电供给变压直流电源2，氢气燃料电池产生的水蒸气由空气室下部的出风口3-7排出进入散热冷凝器4，经冷凝后的液态水从出水口4-2通过一根导水管4-3将水输送到电解水装置1上端的注水口1-8中，其他气体从出气口4-1排出；同时尾气涡轮发电机5发电供给变压直流电源2。
46.下面具体给出一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统的工作方法，具体为：
47.1、电解水原理；当汽车在行驶状态，总控制器6电路接通，直流电路通过与电解水装置1的阴极材料1-6、阳极材料1-7以及电解水装置1中的水形成闭路。这时氢气会从阴极冒出、氧气从阳极冒出，他们的体积比为2:1。其中氧气经过轻压通气阀1-5出来，通过氧气纯度流量传感器1-9后进入氧气管供汽车化油器1-11使用；氢气则经过轻压通气阀1-4出来，进入氢燃料电池3的氢气室；
48.2、氢转电原理：氢气进入氢燃料电池3的氢气室后，在含铂阴极材料3-2催化作用下，氢气变得很活跃，吸收能量后，会使氢原子中的电子与原子核分离，带正电的原子核能过质子交换膜3-8跑到右边的阳极，导致两边电荷不平衡，即产生了电压。由于含铂阴极材料3-2与电解水装置1的阴极材料1-6连接，含镍阳极材料3-4与电解水装置1的阳极材料1-7连接，形成了电流回路；含铂阴极材料3-2中的电子会通过这条回路也跑到含镍阳极材料3-4，与先前到达的正电氢原子核和氧气在催化剂镍的作用下生成水蒸气。在这个过程中，由电解水装置1产生的氢气通过氢燃料电池3转化为电能，又供给电解水装置1使用，实现氢的循环利用，节省了电费成本；
49.3、水循环原理：氢燃料电池3产生的含大量水蒸气的空气，经过散热冷凝器4，通过散热冷凝，将水蒸气与其他气体分离，其中水蒸气凝结成液态水从出水口4-2排出，其他气体从出气口4-1排出；出水口4-2通过一根导水管4-3将水输送到电解水装置1上端的注水口
1-8；
50.4、尾气能量回收原理：尾气涡轮发电机4主要由涡轮和发电机两部分组成，系通过汽车尾气的运动惯性推动涡轮叶片旋转，利用中轴带动发电机转子转动，实现发电。通尾气涡轮发电机发出的电能补充给电解水装置使用；
51.由于电解水反应需要大量电能，而氢转电效率不高，存在较大电能需求空缺；汽车尾气由于具有运动惯性的能量可以回收利用；涡轮增压机的设计正是利用尾气动能为发动机进气增压，以提高气缸内含氧量、增强气缸输出动力；而本发明采用制氧装置直接给发动机进气增氧，不再需要为进入发动机的空气增压，因而改为尾气涡轮发电机4，将汽车尾气惯性能量转化为电能输入变压直流电源2补充给电解水装置1使用。
52.5、加油增氧自行联动原理：总控制器6为专用集成电路，它一方面监测着汽车电池2电量状况和尾气涡轮发电机5的发电状况，并与汽车电脑相连接，接收并执行行车电脑的指令，另一方面它对增氧系统的控制主要体现在对制氧电路的开关、电流流量的调节上。由于目前汽车普遍采用缸内电喷技术，当驾驶人加踩油门提速时，汽车电脑收到提速信号后立即指挥电子喷射系统增加向发动机气缸油气混合物的喷射量，而此时发动机尾气的喷排量也必然加大，带动了尾气涡轮发电机5发电量的增加，这时总控制器6会立刻感知发电量的增加，并自动增加对制氧装置输出的电量以增加制氧量，实现汽车油门踏板加油与电解水增氧系统自行联动。
53.6、汽车动力大幅提升原理：正常情况下，氧气在空气中的比例只有21％。由于采用制氧装置直接向汽车化油器供应100％纯度氧气，大大提高油气混合物中氧气浓度，使进入气缸的氧气浓度通常能增加1倍即达到42％(行车电脑会同时将缸内油气混合物喷射量调节到最佳)，理论上发动机输出功率提升了1倍。减去因加装增氧系统导致车身增加的重量因素后，汽车整体牵引动力输出提升30-90％。
54.本技术的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，由于电解水装置1的氧气输出量取决于供给给该电解水装置1的电量，而这个电量主要有4个来源：一是汽车电池自带电量，二是发动机前端原有的皮带轮发电机发的电量，三是氢燃料电池发的电量，四是尾气涡轮发电机发的电量，其中前两者还有较大发挥空间，如将原有的铅酸汽车电池更换成可充电的大容量锂离子电池，或将原有的皮带轮发电机更换成发电功率更高的发电机，都能有效提高制氧装置氧气输出量，从而使汽车动力输出提升具有更大的可能。
55.以上公开的本发明创造实施例只是用于帮助阐述本发明创造。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明创造仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明创造的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明创造。

技术特征：

1.一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：包括电解水装置(1)、氢燃料电池(3)、变压直流电源(2)、散热冷凝器(4)、尾气涡轮发电机(5)和总控制器(6)；所述电解水装置(1)为三根竖管组成的连通器，其中中管为储水管(1-1)，储水管(1-1)的顶部设有注水口(1-8)，左管为制氢管(1-2)，右管为制氧管(1-3)，在制氢管(1-2)和制氧管(1-3)的底部分别设置阴极柱(1-6)和阳极柱(1-7)，制氧管(1-3)顶部的出气口与氧气管(1-10)连通，氧气管(1-10)与汽车化油器(1-11)连接，制氢管(1-2)顶部的出气口与氢气管(1-12)的一端连通，阳极柱(1-7)和阴极柱(1-6)与变压直流电源(2)连接；所述氢燃料电池(3)包括氢气室、空气室、阴极材料(3-2)、阳极材料(3-4)和质子交换膜(3-8)，阴极材料(3-2)和阳极材料(3-4)之间设置质子交换膜(3-8)，阴极材料(3-2)在外部的阴极桩(3-3)通过导线与变压直流电源(2)上的阴极相连接，阳极材料(3-4)在外部的阳极桩(3-5)与变压直流电源(2)上的阳极相连接；阴极材料(3-2)的一侧为氢气室，阳极材料(3-4)的一侧是空气室，氢气室的氢气入口(3-1)与氢气管(1-12)的另一端连通，空气室的进风口与进气管(3-9)连通，空气室的出风口(3-7)直接与大气连通，在进气管(3-9)上安装风机(3-6)；氢燃料电池(3)的出风口(3-7)与散热冷凝器(4)的进水口连通，散热冷凝器(4)的出气口(4-1)与大气连通，散热冷凝器(4)的出水口(4-2)通过导水管(4-3)与储水管(1-1)的注水口(1-8)连通；尾气涡轮发电机(5)与变压直流电源(2)连接；总控制器(6)与风机(3-6)和尾气涡轮发电机(5)电连接，总控制器(6)与变压直流电源(2)和电解水装置(1)连接。2.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：在制氢管(1-2)内部靠近出气口处设有第一轻压通气阀(1-4)，在制氧管(1-3)内部靠近出气口处设有第二轻压通气阀(1-5)。3.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：出风口(3-7)内的流体为氢燃料电池(3)工作产生的含有大量水蒸汽的空气。4.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：阳极材料(3-4)为含镍阳极材料，阴极材料(3-2)为含铂阴极材料。5.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：在制氧管(1-3)上设有氧气纯度流量传感器(1-9)，氧气纯度流量传感器与汽车电脑相连接。6.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：变压直流电源(2)为汽车上原有的直流蓄电池。7.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：散热冷凝器(4)的出水口(4-2)位于下部，散热冷凝器(4)的出气口(4-1)位于上部。8.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：所述总控制器(6)能与汽车油门踏板联动以调节增氧系统的电流，实现汽车加速减速与增氧减氧自动控制。9.根据权利要求1所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统，其特征在于：在所述进气管(3-9)上设有空气过滤器。10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统的工作方法，其特征在于：具体包括：
当汽车在行驶状态，总控制器(6)的电路接通为电解水装置(1)供电，电解水装置(1)工作，从制氢管(1-2)产生氢气，从制氧管(1-3)产生氧气，氧气通过氧气管(1-10)供给汽车化油器(1-11)，氢气则经过氢气管(1-12)进入氢燃料电池(3)的氢气室，空气通过风机(3-6)和进气管(3-9)进入空气室，氢燃料电池(3)工作产生电供给变压直流电源(2)，氢气燃料电池产生的水蒸气由空气室下部的出风口(3-7)排出进入散热冷凝器(4)，经冷凝后的液态水从出水口(4-2)通过一根导水管(4-3)将水输送到电解水装置(1)上端的注水口(1-8)中，其他气体从出气口(4-1)排出；同时尾气涡轮发电机(5)发电供给变压直流电源(2)。

技术总结

本发明提供了一种氢和水循环利用内燃机汽车用增氧系统及方法，属于汽车技术领域。解决了现有涡轮增压相比自然吸气只能提升20-30％输出动力的技术瓶颈问题。它包括电解水装置、氢燃料电池、变压直流电源、散热冷凝器、尾气涡轮发电机和总控制器；电解水装置为三根竖管组成的连通器；氢燃料电池包括阴极材料、阳极材料和质子交换膜；氢燃料电池的出风口与散热冷凝器的进水口连通，散热冷凝器的出气口与大气连通，散热冷凝器的出水口通过导水管与储水管的注水口连通；尾气涡轮发电机与变压直流电源连接；总控制器与风机和尾气涡轮发电机连接，总控制器与变压直流电源上的阳极和电解水装置的阳极柱连接。本发明适用于汽车化油器增氧。氧。氧。