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高效清洁燃烧

摘要

二冲程高压氧发动机（Ⅴ） 本文提出一个思路，以期提高内燃机的效率、降低排放。 图1为二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机示意图。使用的燃料为甲醇、乙醇、乙二醛等易溶于水的燃料与水的混合液体，浓度为30%～70%，助燃剂为高压氧气。高压泵将燃料泵入汽缸壳体，给汽缸冷却，在吸收汽缸热量后再进入换热器，吸收废气热量，燃料变成高压气态燃料，然后喷入汽缸。当活塞接近上止点时喷入高压气体燃料、高压氧气，当活塞到达上止点后点火。燃烧室内气体膨胀，推动活塞运动。当活塞到达下止点时，燃烧室内的压强接近大气压。打开排气门，排出废气。 理论上二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机的热效率提高的主要原因是： 普通的内燃机压缩1份氧气燃烧做功，需同时压缩4份的氮气，浪费了大量的功，而二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机只需要压缩1份氧气。由于纯燃料在纯氧里燃烧温度太高了，因此须往燃料里掺水，降低燃烧温度。正好利用燃料将废气和汽缸的热量回收了，生成了高压气态燃料，喷入汽缸。本质上就是减少了压缩功，从而提高了发动机的效率。 由于二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机的特殊原理和结构，还带来了其它的好处： 1、活塞可以充分膨胀。 2、燃料呈气体喷入汽缸，与氧气混合，燃烧速度快且燃烧充分。 3、储气槽降低汽缸壁温度。活塞的顶部的截面形状呈“凹”形，边缘凸起，中心凹陷，活塞的顶部边缘倒角。当活塞到达上止点时，活塞顶部与汽缸顶部存留一定缝隙，形成一个气道。活塞顶部倒角处与汽缸顶角形成一个环形空间，为储气槽。当活塞接近上止点时，关闭排气门，汽缸内残存一点废气，喷入的高压气体将汽缸内废气从活塞与汽缸间的缝隙压入储气槽。火花塞点火后，储气槽内气体因不含燃料，不参与燃烧，减少了燃气向汽缸壁的传热，降低汽缸壁的温度，同时也能减少燃料的泄漏，及对润滑油、汽缸壁的不良影响。 4、二冲程，发动机可采用两缸结构，比现在流行的三缸更简单，也能提高一点效率。 5、使用低档燃料，如甲醇、乙醇等，不必提纯，浓度30~70%，成本低，烧酒精能烧出汽油的感觉。 6、氮氧化合物排放少，因为使用高压氧作助燃剂。 7、尾气主要是二氧化碳、水蒸气，二氧化碳回收方便，与绿氢合成甲醇，实现零碳排放。 以上有一些优点是传统四冲程发动机无法做到的。 存在的问题 汽缸散热问题。 二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机采用燃料作为冷却剂给汽缸冷却。燃料中的甲醇气化后体积比没有汽化的水大100多倍，基本上就是气体，与汽缸换热困难。在冷却管道内填充泡沫金属应该可以有效提高换热系数。 燃料、氧气喷入问题 虽然燃料、氧气以高压气态喷入汽缸，但在活塞接近上止点时才喷入，常规的喷嘴设计可能不能满足要求。另外，为保证喷入的时间，发动机的转速可能也会降低。 二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机热效率 η=1-（反应生成水潜热+掺水潜热+尾气散热+汽缸散热+制氧功耗）/燃料高热值。 甲醇高热值22600 KJ/Kg，低热值20060 KJ/Kg，设1:1掺水，浓度50%。甲醇蒸发热1104KJ/Kg，水蒸发热2260 KJ/Kg。 设二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机点火前的混合气体温度为500K，压强为10atm，最高燃烧温度2000K，最高燃烧压强为40atm，绝热膨胀至常压排放，则排气门出口温度为700K，换热后最终排气温度为400K。燃料加压至8atm，燃料从汽缸出来的温度约为400K。汽缸散热按总热量的15%算，约有50%的汽缸热量被燃料回收，约有75%的尾气热量被燃料回收（蒸汽潜热另算）。则粗算热效率为66%。 如果将二氧化碳冷却、压缩进甲醇，减少掺水（甲醇在低温、高压条件下能吸收等质量以上的二氧化碳），虽然增加了设备，但还可能进一步提高近5%的效率。 各种措施，每样提高一点效率，积少成多，因此估算二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机的热效率有望达到60%。 氧气 目前制氧方式主要有：空分制氧、分子筛变压吸附制氧、分子筛变温吸附制氧、富氧膜制氧。这些制氧方式的设备体积都过大，不适合用于车载制氧。 还有一个不受人关注的制氧方式：磁筛制氧。 北京科技大学张师平、栗凤超、吴平、王立采用平行磁铁（N35汝铁硼），间距1.5mm，将空气的氧浓度提高了1%。这个数值很小，但应该还有提升的空间。 图2为本文磁筛制氧机示意图。 在磁铁的上方加一个气罩，气罩与磁铁的间隙0.1mm，气罩接吸管，富氧气体从吸管引出。对于非均匀磁场，一般越靠近磁极，磁场强度H越大，磁场梯度dH/dL也越大。根据西南交通大学任仲友、王家素等人文献的图表测算，距磁极0.1mm处的磁场强度、磁场梯度比1.5mm处大15%~20%。另外，一般磁铁尖锐处的磁场强度、磁场梯度也较大。 氧分子在磁场中受力： 估算氧分子在距磁极0.1mm处受力比1.5mm处大50%~100%。 氧分子的体积磁化率χ与温度的平方成反比，将空气降温至200K进入磁场，氧分子受力还能再增加1倍以上，筛选后再与进气换热，耗功不多。 通过以上措施，有望将空气的氧浓度提高3%~5%。两、三级的磁筛制氧效果可以与富氧膜制氧媲美了。优化磁路、气路设计，磁筛制氧有可能用于车载制氧。 应用 二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机相对复杂一些，汽缸温度要高出40度。发动机偏离最佳工作点时，效率将会降低。启动慢，且不宜频繁启动。 电厂发电 电厂有足够的空间将二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机的各个方面做到最好，并且超大缸径可以降低汽缸散热损耗，热效率有望超过70%。即便如此，现有的燃煤发电热效率已能达到60%了，无论是煤制甲醇还是天然气制甲醇，二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机最终总的热效率都不可能超过燃煤发电。 船舶动力 现有的船用柴油机的热效率也能达到50%。船舶使用二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机，需配套制氧设备、发电机、电池、电动机，值吗？ 车辆动力 二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机用于增程电动车的发动机。如果采用携带氧气瓶的方式，发电100 kwh，需27公斤的甲醇、41公斤氧。如果氧气瓶压强30Mpa，则瓶內空需140L；如果氧气瓶压强60Mpa，则瓶內空需70L，体积依然不小。而且车辆除了充电接口、加油接口，又要增加一个充氧接口，对车辆是个负担，对加油站来说还有安全问题。 如果磁筛制氧能够满足要求，那么增程电动车的动力总成将包括：二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机、磁筛制氧设备、发电机、电池、电动机、制冷机、二氧化碳回收设备几大模块，这么多东西能不能装进去？ 理论上二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机有较高的效率，落实到具体应用场景，与燃煤相比，效率还不够高；与燃油相比，又太复杂了。也就是说自然环境下，基本上所有的路都堵死了，二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机是不能生存的。不过自然环境下，电动汽车、氢燃料电池好像也活不下去。 如果将来环境发生变化，氢能源占据了主流地位，二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机将迎来机遇。因为氢气存储、运输不易，将氢气制成甲醇，用作二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机的燃料是更好的选择，比直接使用氢气如氢内燃机、氢燃料电池更有优势。 如果从能源安全角度考虑，有了二冲程高压氧（Ⅲ型）发动机，则煤代油、天然气地下存储库不如煤制甲醇、天然气制甲醇划算。西气东输也不如甲醇东输划算。

关键词

高压氧;二冲程;内燃机

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