富氧燃烧技术在内燃机中的应用

能源研究与信息第16卷第2期 Energy Research and Information Vol. 16 No. 2 2000 收稿日期 能源研究与信息 2000年 第16卷 ５４ 了以聚丙烯腈膜氦的专利申请膜法分离气体的基本原理通过半透膜的相对传递速率不同而得以分离的气体分离膜一般分为多孔膜下面就这三种膜的典型分离机制做一简单介绍同时其空隙率要大多孔膜分离气体的原理主要以Knudsen 理论为基础其动能为2222112121v m v m = 式中m 2为分子的质量v 2为分子的平均速度其平均速度也不同1.2 均质膜（非多孔膜） 与多孔膜相比均质膜不论是无机材料还是高分子材料都具有渗透性耐压及抗化学侵蚀的扩散机理进行的气体向膜的表面溶解（溶解过程）因气体溶解产生的浓度梯度使气体在膜中向前扩散（扩散过程气体由膜另一面脱附出去分压不同从而达到分离气体的目的均质膜的高分离系数可以制备较高浓度的所需气体多孔膜虽然具有很高的渗透能力如果需要较高浓度的气体非对称膜是一种性能介于上述两种膜之间的气体分离膜气体分离过程就是在这一致密膜层中发生的即　溶解的气体通过聚合物表层的扩散　通过表层下部微孔过渡区的Knudsen 流动　通过多孔底层的Poisenille 流动从中可以看出而且非对称膜中均质层的厚度越薄第2期 朱序和气体系统的特性常数压力由以上可见就必须减小膜的厚度分离系数λ是表示气体分离膜分离混合气中各组分能力的重要指标假设膜供给侧混合气的组分AW B B 的摩尔浓度分别为Y A 则该膜的分离系数定义为BBA AB A B A Y W W Y W W YY A B ⋅⋅==λ表1 醋酸纤维非对称膜与均质膜渗透系数的比较（22）均质醋酸纤维膜的渗透系数 910−×P非对称醋酸纤维膜的渗透速率J0.19 0.71Ar 0.032 0.11 0.37CH 4 0.014 0.07 0.34N 2 0.014 0.06 0.31 C 3H 8 <0.0001 0.030.19 *均质层0.5 µm; **均质层0.13 µm¶à²ÉÓþÛÓлú¹èÑõÍé±í2A 能源研究与信息2000年第16卷５６表2 某些气体对几种膜的渗透系数（cm3(STP)⋅cm/cm2⋅s⋅cmHg）Table 2 Permeability coefficients of different membranes for some gases 膜材质温度(10－10（10010－９8.010－１０ 3.01.510－１１2.010－１３聚乙烯（低密度）25 10－１０ 1.2610－１０9.710－８ 2.1610－７ 3.5210－８天然橡胶25 1.5410－９9.510－１０表3 某些高分子膜的气体渗透分离性能Table 3 Gas permeability separation performance of some macromolecular membranes渗透系数Ps聚二甲基硅氧烷20 216 1120 352 181 1.94 6.19 1.19天然橡胶25聚丁二烯25乙基纤维素25 53.4 113 14.7 4.43 3.41 25.6 12.0乙烯压缩排气等几个过程组成的其他过程都是为做功过程进行准备的过程内燃机因其所用的燃料不同分为汽油机和柴油机压缩比但它们的燃烧过程是基本相同的一般将内燃机的燃烧过程分为滞燃下面对燃烧过程三个阶段的特点作一简单描述和分析第2期 朱序和在这一阶段中提高温度然后还要进行着火前的一系列化学准备过程一般来说减轻内燃机的机械负荷这就要求在气缸中的氧气量充足尽快完成化学准备过程在这一阶段燃料的燃烧速度迅速加快温度都急剧上升2.3 缓燃阶段从气缸内出现最高压力到工质出现最高温度的阶段称为缓烧阶段燃烧仍以很快的速度进行由于活塞已离开上止点继续下降故在此阶段工质压力开始下降使工质对活塞的推动力不变但是燃料分子与氧分子进行反应的机会减少燃料可能在氧分子不足的情况下进行燃烧产生黑烟影响燃烧的经济性和排气的净化急燃和缓燃阶段燃烧的燃料共占循环总供油量的80%以上所以也有人将这两个阶段合并成为主燃阶段就能对燃烧过程产生巨大影响通过对内燃机燃烧诸阶段特点的分析增加内燃机进气中的氧气浓度提高燃料混合气形成的质量缩短缓燃阶段进而提高内燃机的动力性能和经济性的关键燃料只有完全氧化才能放出全部热量而向气缸中供给充分的氧气供燃烧用则比较困难目前提高动力性能增压的优点是基本保证了燃烧完全同时由于空气量的增加动力性能也有较大的提高内燃机的排气量也相应增加故经济性的提高程度受到限制对环境也有一定影响 能源研究与信息2000年第16卷５８3 富氧燃烧技术在内燃机燃烧中的应用可行性分析根据上述分析笔者认为将利用气体分离膜制备富氧空气的技术用于内燃机燃烧过程是完全可能的(1) 利用膜分离技术可产生含氧量为28%~40%的富氧空气以供内燃机燃烧进气中氧气含量的提高对改善内燃机的燃烧过程是十分有利的为了通过分离膜得到更多的）由图2可见含氧量越高因而抽风机系统所消耗的能源也越多故在其制备富氧空气时不需消耗其它任何能源从而可以大大简化富氧空气的生产过程对于内燃机节约能源减少对环境的污染均能产生十分有利的影响由于供气中氧气含量的增加燃烧温度增高动力性能提高同时由于燃料分子与氧气分子接触的机会增加从而燃料利用率大大提高内燃机排气总量减少上述原因可使内燃机燃料消耗量大大下降其次目前在内燃机特别是柴油机上所采用的废气涡轮增压技术虽然能够提高内燃机的动力性能第一如此高转速的设备十分容易产生故障由于进气压力的增高和废气涡轮增压机及排气管道阻力（即排气背压）的压缩功和活塞排出废气所消耗的推出功均有所增加而采用富氧第2期 朱序和由于氧气浓度的升高同时比废气涡轮增压方式可大大减少排气热损失在高原上运行的内燃机由于高原空气稀薄往往产生动力不足利用富氧空气燃烧技术就可以解决这些问题减少能源消耗内燃机燃烧中采用富氧燃烧技术所存在的问题在于富氧气体分离膜的价格还偏高　由于所需要的产气量较大造成富氧空气产生设备的体积较大　对于在内燃机燃烧中采用富氧燃烧技术所开展的试验研究工作很少但是笔者认为富氧气体分离膜的价格会日趋合理通过积极开展研究相信富氧燃烧技术必将在内燃机燃烧中得到广泛的应用化学工业出版社李疏松. 内燃机燃烧学．北京1990[3] 刘颖. 船舶柴油机原理．北京1980[4] 黄仲涛等. 无机膜技术及其应用．北京1999Application of the Oxygen-Enriched CombustionTechnique to Diesel EnginesXu-He Zhu（Suzhou Communication Design and Research Institute, Suzhou 215004）Abstract The oxygen-enriched combustion is a new type of efficient combustion technique of low emission and energy consumption. In this technique, macromolecular membranes are used to conduct selective separation of air in order to produce oxygen-enriched air (the oxygen content greater than 28%) for industrial combustion processes.Based on a thorough analysis and investigation of the fundamentals of the macromolecular-membrane separation technique and the combustion process in diesel engines, the engineering feasibility of applying the oxygen-enriched combustion technique to diesel engines was discussed in detail in this presentation. It was concluded that applying this new combustion technique will improve the performance of diesel engines, reduce emissions and energy consumption.Keywords oxygen-enriched combustion; macromolecular membrane separation; diesel engine作者简介朱序和工程师1982年毕业于大连工学院造船工程系船舶内燃机专业能源应用技术研究和产品开发工作。