汽車為什麽不設計壹個制氧機來提高發動機效率?
這我覺得是壹個有點意思的問題。相比前幾天很火的“水氫發動機”,在車子上集成壹個制氧機並沒有違背基本的物理原理,也不需要攜帶其它物質作為原料,是壹個值得討論的問題。結論很簡單,在車子上加裝壹個制氧機,不能提高功率,也不能提升效率(降低油耗)。
燃燒的本質
首先需要明確的是,只有多余氧氣,和只有多余燃料,都不會讓車子動力增加,只有參與化學反應的氧氣和燃料,才能放熱,最後轉化成動力。用最簡單的氫氣做壹個例子,2體積的氫氣必須和1體積的氧氣反應,產生水,放出熱量,
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如果有3體積氫氣和1體積氧氣,那麽有壹體積的氫氣不會參加反應,被浪費掉了。如果氧氣過量,也是壹樣。所以無論用什麽途徑,單單增加發動機內部的氧氣,是不會讓汽車動力提升的。
為何不會提升動力
如果使用制氧機讓發動機內部有了更多的氧氣,然後成比例地增加燃料,發動機當然會提高動力。那,為何不簡單地使用渦輪增壓?使用渦輪增壓提高了進氣壓力,單位體積的氧氣質量增加了,那可以成比例地多噴燃油,這就是渦輪增壓提升動力最根本的原因。
所以問題就變成了,使用制氧機制氧,相比渦輪增壓,有無優勢。
我不進行任何定量計算,就可以知道,壹定沒有優勢。簡單查了壹下,最常見的制氧機是分子篩制氧機,空氣先加壓進入制氧機,然後通過分子篩富集空氣中的氮氣,那麽剩下的就是純度非常高的氧氣。[1]那問題就來了,我為何要分離空氣中的氮氣?事實上,氮氣在發動機裏並不會對燃燒產生太大的影響(不嚴謹地說),分離氮氣意義不大。但分離氮氣能耗巨大,這是由熱力學第二定律決定的。這就好比,妳把壹粒鹽放進水裏,它們會自己變成壹杯鹽水,但不會反過來。反過來的過程不是自發的,要耗能。那麽這個耗能多大呢?
接下來的定量計算為高中化學水平。
以壹個2.0 L自然吸氣發動機為例,假設發動機工作在3000 rpm,那麽發動機每秒鐘要吸入
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也就是說每秒10 L氧氣。這個時候發動機功率有多少?10 L氧氣和辛烷(可以認為是汽油)燃燒能產生
關鍵問題還在於,我僅僅分離氧氣氮氣就需要能量,並且是大量的能量,而分離毫無意義。
為何往賽車裏噴N2O可以大幅增加動力?
因為N2O高溫下不穩定,會分解出N2和O2,有了多余的氧氣可以多噴燃油,自然會提高動力。這裏有兩點需要註意。
第壹點,N2O是以鋼瓶的形式放在車子裏的,所以不用現場制備,沒有耗能的問題。
第二點,N2O分解產生N2和O2,可以見得,氮氣的存在,真的不礙事。
那麽,假設制氧機能耗為0,能提高效率嗎
理論上能,實際上不能。提高氧氣濃度,的確可以提高燃燒效率,從99%到99.9%?這個好像沒啥意義。但氧氣濃度上升其實並不是沒有缺點。氧氣濃度上升會讓燃料點火更早,導致必須降低發動機壓縮比(以汽油機而言),反而降低熱效率。當然,有優化方法可以解決這個問題,柴油機也沒有這個問題。但總之,不會提升效率。