CN1281939A

CN1281939A - 富氧发动机

Info

Publication number: CN1281939A
Application number: CN99115890A
Authority: CN
Inventors: 贺长宏
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-01
Filing date: 1999-11-01
Publication date: 2001-01-31

Abstract

在发动机制造工业领域,现有发动机在燃烧过程中存在着燃料经济性和动力性相互制约的矛盾。强调经济性,动力不足。欲加大动力,燃烧却不完全。富氧发动机,采用空气分离制氧技术,可使发动机吸入的气体富氧(含氧量高于空气的含氧量)。以富足的氧气使燃料完全燃烧且加大动力,解决了燃料经济性和动力性互相制约的矛盾,且使燃料经济性和动力性同时得到提高。实现节能、环保、减少积炭,也可降低单位功率下发动机的体积和重量。

Description

富氧发动机

发动机制造工业

现代社会，大量发动机的广泛应用，给大气环境造成了严重污染。其主要原因是现有发动机在工作中燃料经济性和动力性之间存在着互相制约的矛盾。要保证燃料的经济性，混合气的浓度就要稀，但动力不足；要提高动力性，就必须加大混合气的浓度，但燃烧不完全，燃料经济性降低，CO和CH类的排放量加大，污染环境。

富氧发动机，采用空气分离法制氧技术，能使从空气中吸入的气体富氧(含氧量超过自然空气)，使发动机吸入气体总量不变而含氧量增加，以富足的氧气供给保证燃料浓度较大时仍能完全燃烧且使动力加大。从根本上解决了现有发动机燃料经济性与动力性之间相互制约的矛盾。动力性和燃料经济性同时得以提高。最终达到增加动力性、节约能源、减少发动机积炭而提高寿命、减少发动机CO和CH类的排放量而保护环境、还可减少相同功率下发动机的体积和重量等多重积极效果。

21现有发动机燃料经济性和动力性之间的矛盾

现有发动机都是以吸入自然空气与燃料(汽油、柴油燃气等)混合燃烧而产生动力。但受工况变化及海拔高度等因素的影响，现有发动机的动力性和燃料经济性之间存在矛盾。

以汽油机为例，由空气和汽油混合成的可燃混合气能否完全燃烧，主要取决于混合气体中汽油与空气的比例(浓度)。通常，将15千克空气与1千克汽油混合成的气体称为标准混合气。理论上，保证汽油迅速且完全燃烧的混合气是标准混合气。而实际上，由于多种原因，能完全燃烧的混合气要比标准混合气稍稀，能燃烧迅速且使发动机获得最大功率的混合气要比标准混合气浓。

混合气的浓度也可用空气过量系数α表示：

理论上，对应于标准混合气的α值为1。实际上，若要使汽油能完全燃烧，就要保证有足够的空气与汽油混合，α应大于1。对不同的发动机，相应于最低油耗率的α值为1．05-1．15。但若要使发动机能迅速燃烧且能获得最大出力，混合气应浓一些。对于不同发动机，相应最大出力的α值为0．85-0．95。

发动机在五种不同工况下，对混合气浓度的要求各不相同。仅在中等负荷时，α值在0．9-1．11，燃烧较为完全。启动时α值为0．2-0．6。怠速时0．6-0．8。全负荷时0．8-0．9。加速时，还要强制性向混合室多喷油，使混合气变浓，保证加速所需的动力。后四种情况下，α值均小于1，发动机的燃烧均不完全。造成燃料浪费和环境污染。

α值过大或过小，即混合气过稀或过浓，都将导致发动机的动力性和经济性变环。过稀时，燃烧完全但功率降低；过浓时，能获得最大出力但耗油率激增。动力性和燃料经济性成了现有发动机相互制约的矛盾。

尽管现有发动机制造技术中已采用许多技术措施，如自动调节进气温度、电子控制汽油喷射、改进油化器的结构及层状燃烧法的应用等，提高了部分负荷下的热效率和燃油经济性，但未能从根本上解决问题。

参考资料：《汽车节能基础理论极其应用》边耀璋编

人民交通出版社出版

《汽车修理工技术考核问答》交通部公

路局机务处编人们交通出版社出版)。

本发明专利的目的就是要解决现有发动机所存在的燃料经济性和动力性之间相互制约的矛盾，促进完全燃烧且能加大动力，使燃料经济性和动力性同时得到提高，以达到节能和减少尾气中CO和CH类排放量而保护环境等多重目的。

2．2富氧发动机极其燃料经济性和动力性

无论何种燃料不能单独燃烧起来，必须有充足氧气助燃，发动机是靠空气中的氧气与燃料混合燃烧的。正常空气含氧气21％，含氮气79％，氮气对燃烧不起作用。发动机吸入气体一定，含氧量也一定。

所谓富氧发动机，采用空气分离法制氧技术，能使从空气中吸入的气体富氧(含氧量高于正常空气含氧量)，这是富氧发动机发明专利的主要技术特征。除吸气部分之外，其余部分的原理与现有发动机相同。富氧气体中富足的氧气可使燃料完全燃烧、加大动力，燃料的经济性和动力性同时得以提高。

仍以汽油机为例，进行如下分析。

2．2．1不改变现有发动机结构及参数的前提下，仅提高吸入气体的富氧量进行对照分析

汽油完全燃烧的化学方程式为：CH+12.5O--8CO+9HO8.18 2 2 2汽油的分子量为114，氧气的分子量为32。方程式按重量单位计可写为：114CH+400O--352CO+162HO8.18 2 2 2理论上，汽油和氧气均能完全燃烧时氧气和汽油的比例为：

400／114=3．51。

又因为4．35千克空气中含1千克氧气，所以氧气和汽油均能完全燃烧时空气和汽油的理论混合比为：

\frac{400 \times 4.35}{114} = \frac{1740}{114} = 15.26

一般说，空气和汽油的“理论混合比”(以重量计)约为15∶1。

对于现有发动机而言，混合气的浓度为“理论混合比”时，应该每一个汽油分子恰能找到相应数目的氧气分子与其结合，完全燃烧并产生最大动力。但因混合不均匀及气缸内残留废气的影响，使汽油不能完全燃烧而产生浪费。要使燃烧完全，就要降低混合气的浓度；要获得较大的功率，就必须加大混合气的浓度，供给过量的汽油把吸入的氧气烧完，汽油浪费严重。

若不改变现有发动机的结构和参数，使其吸入的气体富氧，在15∶1的混合比(α=1)下，仅使其吸入气体的总量不变而含氧量增加到足够的程度。汽油分子就很容易与富足的氧气分子充分结合，使汽油完全燃烧且获得最大功率。

由此分析，在欲加大功率时，富氧发动机与现有发动机一样，均要加大混合气的浓度(使α＜1)。不同的是，现有发动机加大汽油浓度后仅能使吸入的氧气烧完，一部分汽油被浪费；而富氧发动机，由于吸入气体中有富足的氧气，加大部分的汽油均能完全燃烧而转化为动力。既燃烧完全，动力性又非常容易提高。

这样，在不改变发动机的结构和参数的前提下，仅使发动机吸入气体富氧到足够程度，发动机在混合气浓于“理论混合比”的浓度(α＜1)运行，燃料经济性和动力性均非常容易地同时得以保证和提高。在混合气较淡时(α＞1)运行更不存在问题。

这种不改变发动机的结构和参数，仅加大吸入气体富氧量的办法，适用于对已使用中的发动机的改造，提高其燃料经济性和动力性。

2．2．2让吸入气体富氧量是空气含氧量2倍的富氧发动机和仅吸入空气的现有发动机在混合比分别为15∶2和15∶1的状态下进行对比分析

现有发动机在15∶1的“理论混合比”下工作，和吸入气体富氧量是空气含氧量2倍的富氧发动机在混合比为15∶2时的燃料经济性相同。即理论上，每一个汽油分子恰能找到相应数目的氧气分子相结合，均能完全燃烧。区别是，在排量相同的情况下，富氧发动机消耗的汽油量是现有发动机的2倍，所发出的最大功率也是现有发动机最大功率的2倍。

反过来说，燃烧状况相同时，相同功率下，富氧发动机的排量是现有发动机的一半，体积和重量在理论上也可减少一半。富氧发动机的这一特点，可满足对发动机的体积和重量越小越好的用途要求(如采用螺旋推进器的飞机和轻型助力车等)。富氧量越高，单位功率下的体积和重量就可减少得越多。

2．3富氧发动机的最佳实现方式

目前，富氧发动机的最佳实现方式，是采用空气分离法制氧技术中的最新成果——中空纤维渗透器。中空纤维渗透器由15-100UM的中空纤维制成，具有良好的渗透选择性。空气中各组分透过膜的渗透速率不同，在压差的驱动下，使空气中的氧气最先通过而富氧。中科院大连化学物理研究所膜开发中心生产的中空纤维渗透器分为卷式膜组件(富氧27-31％)和中空式膜组件(富氧40-55％)，富氧气流量可达15000NM³／h。将此法应用于实现富氧发动机的发明专利已经完全满足要求。还完全可以生产出符合富氧发动机的特点和需要的专用渗透器。

具体的实现方法就是在发动机吸气部分(如汽油发动机的空气滤清器和化油器之间)加入中空纤维渗透器。发动机的进气方式可采用吸入式和压入式。吸入式就是对排量较小的发动机，直接靠发动机工作时的吸力从渗透器吸入富氧气体。对于排量较大的发动机可采用压入式，空气在压入设备的作用下透过渗透器，以保证发动机吸入富氧气体的压力衡定。尤其在高海拔地区，空气稀薄，压入式可保证富氧发动机性能不受海拔高度的影响。

根据第2．2节分析，可通过使发动机吸入气体富氧到足够程度就可将现已投运的发动机改造为富氧发动机。也可通过使发动机吸入气体富氧，减小发动机的排量，制造体积、重量较小的发动机。实际上，性能最好的发动机应该同时兼顾燃料经济性、动力性、体积和重量等诸多因素。参考资料(详见附加文件)：

1．膜法富氧助燃***资料中科院大连化学

物理研究所膜开发中心提供。

2．《制氧技术》绪论部分李化治编著冶金

工业出版社出版。

进行富氧发动机的研制，或将已经投入使用的发动机改造为富氧发动机，需要进行大量的工业试验。本发明专利仅提出富氧发动机的发明构思和技术解决方案。

汽油发动机和其它类发动机相比，燃料经济性和动力性之间的矛盾最为突出，其尾气中CO和CH类的排放量也最为严重。其它类发动机富氧后的燃料经济性和动力性也会得以提高。故不再进行分析。为此，可得出富氧发动机的一般分析结论。

分析结论：

①．富氧发动机可解决现有发动机燃料经济性和动力性之间相互制约的矛盾，且使燃料经济性和动力性同时得以很大提高。

②．富氧发动机在燃料经济性和动力性相同、材料强度和散热性能等情况允许时，与现有发动机燃料经济性相同的情况下，吸入气体富氧量越高，其单位功率下的体积和重量减少得越多。

③．对已经投入使用的现有发动机，仅需对吸入部分进行改造使其吸入气体富氧到足够的程度，可保证混合气浓度在“理论混合比”左右较小的范围内运行时就可同时满足燃料经济性和动力性的要求。

④．可根据对燃料经济性、动力性、体积、重量等诸多因素的不同需求和偏重，并考虑现有空气分离技术的成熟程度以及发动机的材料强度和散热性能等因素，可制造出不同性能且经济性和动力性优越的富氧发动机。

2．4富氧发动机的优、缺点：

①．富氧发动机可以解决现有发动机动力性和燃料经济性之间互相制约的矛盾，使燃料经济性和动力性同时大大提高。

②．富氧发动机，由于在所有工况下均能使燃料完全燃烧，可节约能源，减少发动机积炭，减少发动机尾气中的CO和CH类的排放量而保护环境。

③．富氧发动机在燃料经济性和动力性相同、材料强度和散热性能等情况允许时，与现有发动机燃料经济性相同的情况下，吸入气体富氧量越高，其单位功率下的体积和重量可减少得越多。

④．富氧发动机也可解决高海拔地区现有发动机燃料经济性差和动力性严重不足的问题。

⑤．缺点是由于供氧充足，过量的氧气和氮气在高温下分解结合，易使尾气中NO的含量增加。

Claims

富氧发动机，采用空气分离制氧技术，能使从空气中吸入的气体富氧(含氧量高于空气中的含氧量)。富氧气体使燃料完全燃烧，动力增加。解决了现有发动机存在的动力性和燃料经济性之间相互制约的矛盾，而且使动力性和燃料经济性同时得到了提高。既可节约能源，又可减少发动机积炭，还可减少CO和CH类排放量而保护环境。与现有发动机相比，其富氧量越高，发动机单位功率的体积和重量还可减少得越多。除吸入部分外，其余部分的原理与现有各类发动机的原理相同。

本发明的特征是：富氧发动机采用空气分离法制氧技术，能使发动机从空气中吸入的气体成为比空气含氧量高的富氧气体，促进燃料完全燃烧，增加动力，燃料经济性和动力性可同时得以提高；而现有发动机吸入自然空气，燃料经济性和动力性互相制约。