这我觉得是一个有点意思的问题。相比前几天很火的“水氢发动机”,在车子上集成一个制氧机并没有违背基本的物理原理,也不需要携带其它物质作为原料,是一个值得讨论的问题。结论很简单,在车子上加装一个制氧机,不能提高功率,也不能提升效率(降低油耗)。
首先需要明确的是,只有多余氧气,和只有多余燃料,都不会让车子动力增加,只有参与化学反应的氧气和燃料,才能放热,最后转化成动力。用最简单的氢气做一个例子,2体积的氢气必须和1体积的氧气反应,产生水,放出热量,
如果有3体积氢气和1体积氧气,那么有一体积的氢气不会参加反应,被浪费掉了。如果氧气过量,也是一样。所以无论用什么途径,单单增加发动机内部的氧气,是不会让汽车动力提升的。
如果使用制氧机让发动机内部有了更多的氧气,然后成比例地增加燃料,发动机当然会提高动力。那,为何不简单地使用涡轮增压?使用涡轮增压提高了进气压力,单位体积的氧气质量增加了,那可以成比例地多喷燃油,这就是涡轮增压提升动力最根本的原因。
所以问题就变成了,使用制氧机制氧,相比涡轮增压,有无优势。
我不进行任何定量计算,就可以知道,一定没有优势。简单查了一下,最常见的制氧机是分子筛制氧机,空气先加压进入制氧机,然后通过分子筛富集空气中的氮气,那么剩下的就是纯度非常高的氧气。[1]那问题就来了,我为何要分离空气中的氮气?事实上,氮气在发动机里并不会对燃烧产生太大的影响(不严谨地说),分离氮气意义不大。但分离氮气能耗巨大,这是由热力学第二定律决定的。这就好比,你把一粒盐放进水里,它们会自己变成一杯盐水,但不会反过来。反过来的过程不是自发的,要耗能。那么这个耗能多大呢?
接下来的定量计算为高中化学水平。
以一个2.0 L自然吸气发动机为例,假设发动机工作在3000 rpm,那么发动机每秒钟要吸入
也就是说每秒10 L氧气。这个时候发动机功率有多少?10 L氧气和辛烷(可以认为是汽油)燃烧能产生
解释一下,一体积辛烷要和12.5体积氧气反应,5075是热值[2],0.4是假设40%热效率。
那么制氧机呢,随便搜一个爆款,欧姆龙的,这个制氧机13 kg,最大流量3 L/min,功耗300W[3],这和前面的10L/s之间差了200倍,功耗会飙升到60 kW。哪怕做一些优化,功耗降到三分之一,也有20 kW。所以,制氧机本身的功耗就很大,根本不提升动力。
关键问题还在于,我仅仅分离氧气氮气就需要能量,并且是大量的能量,而分离毫无意义。
因为N2O高温下不稳定,会分解出N2和O2,有了多余的氧气可以多喷燃油,自然会提高动力。这里有两点需要注意。
第一点,N2O是以钢瓶的形式放在车子里的,所以不用现场制备,没有耗能的问题。
第二点,N2O分解产生N2和O2,可以见得,氮气的存在,真的不碍事。
理论上能,实际上不能。提高氧气浓度,的确可以提高燃烧效率,从99%到99.9%?这个好像没啥意义。但氧气浓度上升其实并不是没有缺点。氧气浓度上升会让燃料点火更早,导致必须降低发动机压缩比(以汽油机而言),反而降低热效率。当然,有优化方法可以解决这个问题,柴油机也没有这个问题。但总之,不会提升效率。
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