CN1299924A - 发动机富氧燃烧法 - Google Patents

Abstract

现有发动机的动力性和燃料经济性之间存在着相互制约的矛盾:要提高其经济性,须降低燃料浓度,但动力不足;要加大动力,须提高燃料浓度,但燃烧不充分,浪费燃料,增加排气污染。发动机富氧燃烧法,是在现有发动机进气环节中加入空气分离法制氧技术,使发动机吸入气体的氧气浓度提高而富氧燃烧的一种方法。可提高发动机的升功率,降低耗油率。使发动机动力性和经济性同时得以提高,且减少排气污染和发动机的积炭等。

Description

发动机富氧燃烧法

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，但动力不足，要提高动力性，但燃烧又不完全，燃料经济性降低，排气污染增大，污染环境。

发动机富氧燃烧法，就是采用空气分离法制氧技术，使发动机从空气中吸入富氧气体(含氧量超过自然空气，下同)，富氧燃烧的一种方法。

以富足的氧气供给发动机，使发动机中的燃料在富氧状态下完全燃烧且使动力性得以提高。可提高发动机的升功率，降低耗油率。从根本上解决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。增强动力性，可减小发动机单位排量下的体积和重量，促进完全燃烧，可节约能源，减少发动机积炭而提高寿命，减少发动机的排气污染而保护环境。

用发动机富氧燃烧法制造(或改造)出的发动机可称为富氧发动机(下同)。

1．现有发动机技术中存在的问题

现有发动机都是以吸入自然空气中的氧气与燃料(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，发动机工作中吸入的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重量的比例(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，由于混合气不均、气缸残留废气等多种因素的影响，能完全燃烧的混合气要比标准混合气稍稀，能迅速燃烧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，就要使混合气中的燃料浓度降低，保证有足够的空气与汽油混合，α应大于1。但发动机的动力不足。对不同的发动机，相应于最低油耗率的α值为1.05-1.15。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。即加入较多的燃料，将吸入空气中的氧气烧完。但燃料经济性降低。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。造成了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，将导致发动机的动力性或经济性变坏。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：1．《汽车节能基础理论及其应用》

             边耀武编    人民交通出版社

          2．《汽车问题解答  第一辑  发动机》

             人民交通出版社

2．富氧发动机及其特性

本发明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。

2．1富氧发动机原理

任何内燃机，都是靠燃料和吸入空气中的氧气一起燃烧的化学能来做作功的。显然，燃料越多，产生的功就愈大。增加燃料的供应在技术上是轻而易举的，但同时要增加一定数量的氧气却不容易。因为，空气中含氧21％，含氮79％。发动机吸入的空气一定，其吸入的氧气量也就一定。发动机富氧燃烧法就是要解决这一增氧问题。

图1是以汽油发动机为例(仅画出一个气缸)改造为富氧发动机的原理示意图。图中：1为空气滤清器，2为支撑钢网，3为富氧膜，4为滤纸，5为化油器，6为气缸活塞，7为气缸，8为连杆。

仅在现有发动机的空气滤清器(干式纸质滤清器)中的钢网和滤纸之间加入一层板式富氧膜，即可成为富氧发动机。富氧膜是一种新型的有机聚合薄膜，和滤纸一样，都是微孔材料，空气在压力差的作用下，可以通过微孔。所不同的是，富氧膜对所通过的气体具有渗透选择性，氧气分子更容易通过，从而能形成富氧气体。这种板式富氧膜可使通过气体的富氧浓度达到28％，其它类型的富氧膜可更高。

图1示，发动机气缸吸气时，自然空气先被吸入空气滤清器，经过滤纸成为纯净空气，再经富氧膜成为富氧气体。富氧气体再经化油器与汽油混合，形成富氧混合气吸入发动机的气缸。混合气中的氧气富足到一定程度，就可保证发动机在混合气较浓的情况下，仍能完全燃烧且获得最佳动力。动力性和燃料经济性将同时得到提高。若随着富氧量的提高，相应地加大燃料供给，发动机的比功率(单位排量下的功率)将得到提高，耗油率降低(详见第2.3节)。

也就是说，富氧发动机就是在现有发动机的进气环节中加入空气分离制氧技术(如图1的富氧膜)，使得发动机吸入的气体能够富氧，便成为富氧发动机。除进气部分外，其余部分的原理与现有发动机相同。这就是富氧发动机的主要技术特征。

它与现有技术一样，都要靠燃料燃烧的化学能作功，而区别在于燃烧条件：

现有技术：    燃料+空气(或压缩空气)；

富氧发动机：  燃料+富氧气体。

2．2富氧发动机与现有发动机燃烧情况的对比分析

仍以汽油机为例，进一步分析如下：

汽油完全燃烧的化学方程式为：

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：

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∶1

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： $\frac{400\×4.35}{114}=\frac{1740}{114}=15.26:1$

所以，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”(15∶1)，即氧、油比例3.51∶1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。

富氧发动机，吸入气体可富氧到足够程度，在15∶1的气、油混合比(α=1)下运行时，氧、油比例大于3.51∶1。由于混合气中氧气浓度增加，汽油分子就很容易与富足的氧气分子充分结合，使汽油完全燃烧且转换为动力。动力性和经济性同时得到提高。

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。在混合气浓度较淡时(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。

分析结论①．对已经投入使用的发动机，可采用图1所示的方案，使发动机吸入气体适量富氧，发动机在“理论混合比”左右较小的工况范围内运行，就可同时获得较高的动力性和燃料经济性。解决现有发动机动力性和经济性之间存在的矛盾。同时还可减少尾气中CO和CH类的排放量，减少发动机的积炭等多种积极效果。

2．3富氧发动机的特性

本节着重讨论富氧发动机燃料经济性、动力性和排气量等性能指标之间的关系。

图2(b)为现有汽油发动机的一个气缸，吸入正常空气(含氧21％)，气、油混合比为15∶1(氧、油比为3.51∶1)。它的功率为额定功率Ne。

图2(a)为使同一气缸吸入富氧浓度为42％的富氧气体(比正常空气含氧量提高2倍)，汽油的注入量也提高2倍，即空气、油混合比15∶2(氧、油比3.51∶1)的情况。

这两种情况下，气缸容积相等，氧气和汽油的浓度比相等，即燃烧经济性应该相同。但图(a)状况下，燃油量是图(b)的2倍，故其功率也就是图(b)的2倍，即2Ne。可以看出，富氧发动机的功率可以与其富氧浓度成正比、线性增加。可用公式表示为： $\mathrm{Nf}=\frac{k}{21\%}\mathrm{Ne}......\left(1\right)$

其中：Nf—富氧发动机的功率，

      K—吸入气体的富氧浓度(％)，

      Ne—现有发动机的额定功率，

      21％—正常空气的含氧量。又因为，现有发动机的功率为： $\mathrm{Ne}=\frac{\mathrm{PeiVhn}}{225t}......\left(2\right)$

其中：Pe—气缸平均有效压力

      i—气缸数

      Vh—单缸工作容积

      n—发动机转速

      t—冲程数若忽略富氧发动机的Pe比现有发动机的Pe将有所提高的因素，则： $\mathrm{Nf}=\frac{\mathrm{KPeiVhn}}{47.25t}......\left(3\right)$

公式(3)就是富氧发动机的功率公式。对其进行分析可以得出富氧发动机动力性、燃料经济性、发动机排量之间的关系：

①．富氧发动机的升功率(单位排量下的功率)与吸入气体的富氧浓度K成正比。即富氧发动机和现有发动机的iVh、Pe、n、t等参数相等，燃料经济性相同的情况下(随着富氧浓度的提高，相应加大混合气浓度，使氧、油混合比保持3.51∶1)，随着富氧发动机富氧浓度K的提高(K大于21％时)，发动机的功率Nf将随之增加。也就是升功率将提高；反之，富氧浓度K若降低(K小于21％时)，发动机的功率Nf将低于Ne，相当于高空及高海拔地区的情况；当K=21％时，富氧发动机的功率与现有发动机相等(N=Ne)。

②．富氧发动机的排量(iVh)与其吸入气体的富氧浓度成反比。即富氧发动机与现有发动机的Pe、n、t相等，燃料经济性相同(氧、油混合比为3.51∶1)，且使富氧发动机的功率与现有发动机的功率相等(N=Ne)，发动机的排量(iVh)就可以随富氧浓度K的提高而减小。这样，发动机的体积和重量也可以随之减小。运用这一特性可制造出体积小、重量轻的富氧发动机。

③．富氧发动机的燃料经济性与富氧浓度成正比。若富氧发动机和现有发动机的pe、n、t、iVh和N都相等，富氧浓度K增加后，促进完全燃烧，发动机的燃料经济性就非常容易地得到提高。从而可以减少发动机尾气中CO和CH类的排放量，减少发动机的积炭。

以上三点，就是富氧发动机的动力性、燃料经济性和发动机排量之间的关系。也属于富氧发动机重要的技术特征。

分析结论②：富氧发动机可提高升功率，降低耗油率。可根据不同用途要求(或侧重动力性，或侧重经济性，或侧重减少发动机的体积和重量，或三者相互兼顾)，可选择较高的富氧浓度(目前技术，最高可使富氧浓度达到40-55％)，合理选择发动机的功率、工作容积、燃料经济性、制造成本等指标，可生产出适用不同用途的、理想的富氧发动机。

3．富氧发动机的性能指标分析

本节将富氧发动机与废气蜗轮增压柴油机的性能指标进行对比，分析富氧发动机的性能指标。

在现有技术中，为解决柴油机动力性和燃料经济性相互制约的矛盾，通常采用提高柴油机的进气压力来增加柴油机气缸的进气量，并相应地增加喷油量，就可在柴油机结构不变的情况下，增加柴油机的输出功率，并提高燃料的经济性。常用的增压器为废气蜗轮增压器。

增压器的出口压力Pk与进口压力Po的比值称为增压比。按增压比之大小分为低压(小于1,4)、中压(1.4-2.0)、高压(2.0以上)三种。增压比大于1.8的中、高压增压器均要采用中间冷却器以降低出气温度。

对增压比为2.0的情况进行计算分析。由气态方程： $\frac{\mathrm{PkVk}}{\mathrm{Tk}}=\frac{\mathrm{PoVo}}{\mathrm{To}}$ 其中：Pk、Vk、Tk分别为增压器出口侧气体的压

力、体积、温度。

Po、Vo、To分别为增压器进口侧气体的压力、体积、温度。

假设：由于中间冷却器的作用使得进、出口温度相等，即：To=Tk。则增压过程为等温过程。则：

Pk Vk  =  Po Vo $\frac{\mathrm{Vo}}{\mathrm{Vk}}=\frac{\mathrm{Pk}}{\mathrm{Po}}=2.0$

则： Vo=2Vk

也就是说，增压比为2.0时，柴油机的进气量提高了2倍，进气中的氧气总量也提高了2倍。

若将非增压富氧柴油机改为富氧柴油机，使其进气的富氧浓度达到正常空气含氧量的2倍(富氧42％)，就可与高增压比(2.0)的柴油机具有相同的性能指标。

根据已有的数据资料(出自《汽车问题问答第一辑发动机》人民交通出版社出版)：6135Q型非增压柴油机和增压后的12V 135Q型柴油机的性能参数列于下表：

柴油机型号	增压情况	升功率(马力/升)	耗油率(千克/马力.时)
6135Q	非增压	13.33	6.8
12V135Q	增压	16.70	4.0
增压效果		提高25.3％	降低41.2％

增压之后，柴油机的比功率提高了25.3％，单位马力的燃料消耗量降低了41.2％。动力性和燃料经济性都得到了很大的提高。

若使非增压的6135Q型柴油机的富氧浓度达到28％左右(估算从略)，就可与增压后的12V135Q型柴油机拥有同样的性能指标。若富氧浓度进一步提高，其性能指标将更高。

另外，增压技术对于使用燃料闪点较低的发动机，如汽油机，就难以采用。因为，增压技术是靠提高进气压力来提高进气量的，进气压力提高后，气缸压缩冲程中将引起压力和温度的进一步提高。汽油在点火前就会自燃而发生爆震。就是受爆震因素的影响，汽油机等使用燃料闪点较低的发动机很少采用增压技术。即使采用，也是较低的比压值，对动力性和经济性提高不大。而富氧机发动机是通过提高进气的富氧浓度来提高动力性和经济性。所以，富氧发动机对提高汽油机及其它使用燃料闪点较低的发动机的动力性和经济性，无疑是一种潜力极大的技术方案。

结论③：富氧发动机具有优良的性能指标。将成为发动机制造工业技术进步的一大趋势。

4．制造富氧发动机的原理方法

第2．1节已述，富氧发动机只是在现有发动机的进气部分采用空气分离制氧技术(加装富氧膜)，就可成为富氧发动机。除此之外，其余部分的原理与现有发动机相同。故此，对空气分离法制氧技术的应用是其关键所在。

现代空气分离法制氧技术有：低温法、变压吸附法和膜分离法三种。这三种方法均可用于富氧发动机。膜分离法作为技术最新、方法最简单、使用最经济(制气量小于每小时15000标准立方米时)的制氧方法，应作为应用重点。其它两种方法不作讨论。

膜分离法制氧技术是最新制氧技术。中科院大连化学物理研究所大连膜工程研究发展中心，专门从事膜产品的研究和开发。目前已经成熟的富氧膜有：板式富氧膜(图1中所采用的，富氧浓度可达到28％)、卷式富氧膜(图3示，富氧浓度可达28％)、中空纤维膜(图4示，富氧浓度40-55％)三种。

仍以汽油发动机为例，叙述原理方法。

4．1原理方法1(吸入式)

采用板式富氧膜加装于发动机的空气滤清器中(如图1示)。第2．1节已经叙述，这里不再重复。这种方法适用于排量较小的发动机。其技术要点在于板式膜很薄，应用中要解决好支撑问题(如图1中的支撑钢网)，所需的膜面积也较大。优点是方法简单。

4．2原理方法2(压入式)

图5中：1为空气滤清器，2为气泵，3为膜组件，4为化油器，5为发动机进气歧管，6为排气歧管。

图中，在现有汽油发动机的吸气管路中加入膜组件(卷式膜或中空纤维膜组件)，并增加气泵成为压入式富氧发动机。在气泵吸力的作用下，空气先经过空气滤清器成为纯净空气，经气泵加压送给膜组件。空气在压差的作用下通过膜组件分离出富氧气体，经过化油器形成富氧混合气进入发动机燃烧。这种方法适用于发动机排量较大、富氧浓度较高的富氧发动机。

这两种方法的具体参数需根据发动机排量、膜组件的性能要求确定。

5．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，吸入气体富氧浓度越高，其单位功率下的体积和重量可减少得越多(升功率提高)。

④．富氧发动机也可解决高空和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_X的含量增加。

6．结语：

所有类型的发动机均可采用发动机富氧燃烧法，通过在进气环节中采用空气分离法制氧技术生产出富氧发动机。既可将现已投入使用的发动机进行改造；也可如分析结论②所述，根据对发动机的动力性、燃料经济性、体积和重量的不同侧重要求，可对发动机的功率、排量、富氧量、燃料经济性及其制造成本等参数和指标进行不同的组合选择，生产出性能各异的富氧发动机。

本发明—发动机富氧燃烧法，是空气分离制氧技术与现有发动机制造技术的新的组合。通过新的组合，产生了新的技术效果。故此，本发明属于方法发明。

参考资料：

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》李化治编著冶金工业出版社出版。

Claims (1)

1. 在发动机制造工业领域，现有发动机的动力性和燃料经济性之间存在着相互制约的矛盾，致使发动机的升功率小、耗油率高、排气污染大。发动机富氧燃烧法，是在现有发动机的进气环节中加入空气分离法制氧技术，使发动机吸入的气体富氧，促进完全燃烧。

   其特征是：空气分离法制氧技术与现有发动机制造技术相结合，使发动机吸入富氧气体，富氧燃烧。可提高发动机的升功率、降低耗油率、减少排气污染。富氧发动机的功率(Nf)、气缸平均有效压力(Pe)、发动机的排量(iVb)、气缸数(i)、冲程数(t)、富氧浓度(K)及燃料经济性之间的关系可用公式表示为： $\mathrm{Nf}=\frac{\mathrm{KPeiVhn}}{47.25t}$

   要求保护用空气分离法制氧技术使发动机吸入富氧气体(吸入气体的含氧量高于空气中的含氧量)而富氧燃烧的方法。

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