问题

汽车为什么不自带制氧机来提高发动机效率?

回答
咱们聊聊这汽车为啥不给发动机配个“制氧机”,感觉挺有道理的,对吧?毕竟,发动机这玩意儿,说白了就是靠燃料燃烧做功,而燃烧这事儿,没氧气那可就办不成了。氧气越足,燃烧越充分,理论上发动机效率就越高,动力也越好,甚至排放也能跟着优化。

听起来是个好主意,那为啥现在市面上跑的绝大多数车,都没有这么个“自带制氧机”呢?这事儿啊,得从几个方面掰扯掰扯。

首先,咱们得明白,汽油发动机(或者柴油发动机)现在是怎么“获取”氧气的。

它们其实是通过进气歧管,直接从我们周围的大气中吸入空气。空气是什么?主要是氮气,大概占78%,氧气大概占21%,还有少量的其他气体。咱们发动机真正需要的是那21%的氧气,用来跟汽油(或者柴油)进行化学反应,释放出能量。

那“制氧机”又是怎么回事儿?

说白了,制氧机就是一种设备,能把空气中的氧气给分离出来,变成高纯度的氧气。常见的制氧技术有几种,比如:

1. 分子筛吸附法: 利用某些材料(比如沸石分子筛)在不同压力下对氮气和氧气的吸附能力不同,通过循环加压和减压,把氧气富集出来。
2. 膜分离法: 利用某些特殊薄膜对氧气和氮气的渗透性不同,让氧气更容易通过,从而实现分离。
3. 电解水制氧: 通过电解水产生氧气和氢气。

好了,现在我们把“自带制氧机”这个概念套到汽车上,看看会遇到哪些问题:

1. 成本问题:

设备本身成本: 无论是哪种制氧技术,都需要一套完整的设备。分子筛制氧机或者膜分离制氧机,本身就不是什么便宜货。这套设备需要包含压缩机(如果是吸附法)、储气罐、分离膜或者分子筛、控制系统等等,装在车上,光是这些硬件的成本就会大幅增加。
维护成本: 这些制氧设备,尤其是分子筛,是有寿命的。随着使用时间增加,吸附能力会下降,需要更换。膜片也可能老化或者被污染物堵塞。这意味着额外的维护费用,对普通消费者来说,这可不是个小负担。

2. 空间和重量问题:

体积: 试想一下,要把一套完整的制氧设备塞进一辆汽车里。发动机舱的空间已经很紧张了,而且还要考虑散热、连接管路等等。这套设备肯定会占用相当大的空间,影响其他部件的布置。
重量: 增加的设备重量,本身就会抵消一部分理论上的效率提升。车子越重,就需要更多的能量来驱动,这就像你背着一袋石头走路,就算你跑得再快,整体能量消耗肯定比空手跑要高。

3. 能量消耗问题:

“制氧”是需要能量的: 刚才说了,制氧不是凭空产生的。分子筛吸附法需要压缩机做功,膜分离也需要一定的压力差,电解水更是要消耗大量的电能。这些能量从哪里来?最直接的答案就是从发动机本身。也就是说,制氧机要工作,就得从发动机那里“抢”一部分动力或者消耗更多的燃油。
效率的“负循环”: 理论上,纯氧燃烧能提高效率,但制氧机本身消耗的能量,可能会比它通过富氧燃烧带来的效率提升还要大。这就形成了一个“负循环”:为了提高效率,我耗费更多能量去制氧,结果我的总效率反而下降了。

4. 实际效果的“边际效益递减”:

空气的氧气含量已经很高了: 目前的空气,氧气含量已经有21%了,对于大部分汽油发动机来说,这个比例已经足够支撑比较充分的燃烧了。发动机的进气系统(比如空气滤清器、节气门、进气歧管)以及燃油喷射系统,都已经设计成在自然吸气或涡轮增压下,能够实现相对高效的空燃比(理论空燃比是14.7:1)。
提升幅度有限: 即使我们能供应100%的纯氧(这在现实中几乎不可能),发动机的效率提升也并不是无限的。材料强度、燃烧速度、热量散失等等因素都会成为瓶颈。把氧气浓度从21%提高到30%或40%,可能效果会比较明显,但要做到100%纯氧,成本和技术的挑战就太大了。
对现有发动机结构的改造: 即使有高纯度氧气,现有的发动机燃烧室、活塞、点火系统等,都是按照在空气中燃烧设计的。要充分利用高纯氧,可能还需要对发动机结构进行大幅度的改造,这又是一笔巨额的研发和制造成本。

5. 安全和可靠性问题:

高浓度氧气的危险性: 高浓度的氧气会让很多物质的燃烧变得更加剧烈,甚至会增加爆炸的风险。制氧设备本身也需要考虑安全防护,防止泄漏,避免与易燃物接触。
系统复杂性增加: 增加一套制氧系统,意味着汽车的整体系统就更复杂,故障点也越多。一旦制氧系统出现问题,可能会影响发动机的正常工作,甚至导致车辆无法启动。

6. 法律法规和排放标准:

现有标准下的优化: 各国汽车排放标准越来越严格,但这些标准主要针对的是尾气中的有害物质,比如氮氧化物(NOx)、碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)和颗粒物。虽然富氧燃烧可能在某些方面有助于减少这些物质,但不是唯一或最直接的手段。
技术路径的选择: 汽车制造商在满足排放标准和提高效率方面,有多种技术路径可以选择,比如更精准的燃油喷射、更先进的涡轮增压技术、可变气门正时/升程、混合动力系统、甚至纯电动系统。这些技术在成本、效率、可靠性和易用性上,可能比“自带制氧机”更有优势。

不过,也不能说“制氧”这个概念完全没有用。

我们看到的一些高性能发动机或者特殊用途的车辆(比如赛车),会使用“喷射水和甲醇”或者“喷射氮气”等方式来抑制爆震,从而允许更高的增压压力和更激进的点火提前角,间接提高了性能和效率。但这些和“自带制氧机”的逻辑还是不一样,而且通常是作为一种附加的功能,需要专门的系统来控制,成本和复杂性也更高。

总结一下,为啥汽车不自带制氧机来提高发动机效率?

主要是因为:

成本太高,不划算。
占用空间和增加重量,得不偿失。
制氧本身需要能量,可能抵消收益。
现有空气氧气含量已足够,提升幅度有限。
增加系统复杂性和安全风险。
有更成熟、更经济高效的技术路径可供选择。

所以,虽然“发动机自带制氧机”听起来很酷,很像科幻电影里的情节,但在现实的汽车工程中,它面临着太多实际的障碍,以至于目前来说,还不如让发动机老老实实地从空气里“呼吸”,然后通过其他更成熟的技术手段来优化效率。

说白了,就像咱们人一样,空气里的氧气足够咱们活着,而且大脑也并不是越想越聪明,总得有度的。汽车发动机也是这么个道理。

网友意见

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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)。

燃烧的本质

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。

为何不会提升动力

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。

为何往赛车里喷N2O可以大幅增加动力?

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。

那么,假设制氧机能耗为0,能提高效率吗

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。

参考

  1. ^家用制氧机_百度百科 https://baike.baidu.com/item/%E5%AE%B6%E7%94%A8%E5%88%B6%E6%B0%A7%E6%9C%BA
  2. ^Heat of combustion - Wikipedia https://en.wikipedia.org/wiki/Heat_of_combustion#Lower_heating_value
  3. ^【欧姆龙HAO-3820】欧姆龙(OMRON) HAO-3820 3L制氧机带雾化老人孕妇家用吸氧【行情 报价 价格 评测】-京东 https://item.jd.com/8263204.html

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