汽油与空气的佳比例是1:14.7,等于1份汽油配14.7份空气。而氧气占空气比例是21%,所以等于一份汽油配3.087份氧气就能佳燃烧了。
但如果是纯氧环境下, 燃料能充分燃烧是必然的,而带来的自然就是温度的大幅提升。取个例子:氧乙炔焰。纯乙炔在空气中燃烧2100度左右,但在氧气中生成的就是氧乙炔焰,燃烧可达3600度。同时又因为氧气的供给不同分量,分有三种火焰,每种火焰温度也不同,温差范围从800到3400℃。
回到问题中,现有汽油发动机的缸内温度在压缩行程末期是300-500摄氏度,高是在做功行程汽油被点燃、汽缸遍布火焰的时候,能达到1800℃。而这个温度并不能保持很长时间,因为热量马上因动力转化、缸体传热、废气带走等损失,温度也会降下来。所以现在的发动机设计是考虑到目前这种温度变化带来的影响的。
那么,现有的发动机如果用纯氧代替空气,要考虑的就是几点:
1、高温。上面说到乙炔在空气与纯氧的燃烧温度对比,温升起码有1500度。那么汽油呢?姑且不说多了,单是提升了个800度,也能到达2600度。而活塞一般是设计耐高温2300度,铸铁缸壁熔点约在1148-1400℃。但是要知道,缸壁是跟缸体、水道、润滑油贴近的,热量瞬间就被带走,因此缸壁是很难达到熔点;因此只用考虑活塞耐温就可以了。虽然这个2600度是瞬间温度,但高转速运行下,活塞顶散热逐渐跟不上生热,也会有持续能达到这个温度的可能。
2、爆震。汽油机都会有爆震。而爆震的生成除了温度、压力外,还有含氧环境的影响。氧气作为助燃剂,浓度越大,可燃物发生自燃的机会越大。因此用纯氧的话,还需要考虑汽油爆震的调整(也许可以取消火花塞,实现HCCI的原理)
3、氧控制。现有的汽油发动机都有一个控制空气的东西——节气门。前面说到爆震问题,如果取消火花塞实现HCCI压燃方式的话,那节气门控制氧气流量,就有可能产生类似跟氧乙炔焰的三种燃烧火焰结果。以现有的氧传感器是无法精确控制佳空燃比的,加上之前的高温问题,占燃烧释放能量35%的废气温度不可能不把三元催化给烤焦的。柴油机的运行不是通过控制气体流量而是通过控制喷油方式,没有节气门的控制,柴油机一直都是过量空气运行,因此纯氧环境下能够充分燃烧(纯氧环境下压燃比点燃更佳)
4、安全。氧气的用量与储存是个大问题。空气可以从大气中取来,但纯氧得加压提纯到钢瓶里,然后装车减压导入发动机助燃,车重不是问题,倒是续航与安全得值得考虑。
但是纯氧环境下,倒是不怕会有氮氧化物、一氧化碳产生,排放会更好。