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摘 要： 在全世界范围之内汽车所消耗的能源非常巨大，特别是被白白浪费的热能十分可观，文中就利用热转电制氧制氢汽油发动机实现节能减排，并进行了定性分析，以期能够为发动机节能减排的技术提供研究方向。
关键词： 热转电制氧制氢汽油发动机，节能，汽车
对发动机老式化油器汽车来说，由于化油器的油气混合比是恒定的，当高原上空气稀薄时，就可能出现油气混合比比例失调，发动机多耗油而无力，排气管冒黑烟的现象。此问题可以通过调整发动机的工况或者加装单涡轮或双涡轮增压加以改善。如何解决发动机在随着海拔高度升高而自然降压缺氧的情况下，继续保持发动机的动力尽可能不变呢？最好的办法就是既能给发动机按需增加氧气，同时又增加爆燃物质氢气来提升发动机的动力，这就是我设计“热转电制氧制氢汽油发动机”的目的。现就其可行性论证如下：
一、利用汽车发动机热能发电的发展潜力
可以采用热电堆将热能转化为电能，热能转化为电能主要是根据贝塞尔效应。历年研究与发展情况如下：
⑴1821年，德国物理学家赛贝尔（T.J Seebeck，1780～1831）首先发现了“温差电”现象。
⑵曼彻斯特大学研制的陶瓷可以利用热电材料转换热量，并产生足够的充电电力。
（3） 美国西北大学和密歇根州立大学的机械工程师，合作开发出一种稳定的环保型且低价格的热电材料--碲化铅与碲化锶纳米晶体材料，热电品质因数达到2.2，可将20%的废热转换成电力，成为目前最有效的热电材料。
通过以上的科研成果发展历程证明，利用汽车发动机热能高效转化成用于电解水的电能，将来有望实现。
二、电解水制氧制氢与氢氧燃烧技术早已成熟
⑴电解水制氧、制氢的化学方程式是：2H2O=通电=2H2↑+O2↑。
⑵在发动机缸内充分燃烧氢气与氧气的化学方程式是：2H2↑+O2↑=爆燃=2H2O。
⑶在发动机缸内充分燃烧汽油（C8H18）的化学方程式是：2C8H18+25O2↑=燃烧=16CO2+18H2O。
⑷在发动机缸内充分燃烧汽油（C8H18）加氢气（H2↑）加氧气（O2↑）的混合气体的化学方程式是：2C8H18+25O2+2H2↑+O2↑=爆燃=16CO2+20H2O+热能。
对化学方程式⑶与⑷比较，发现给发动机加氢气与加氧气后，其爆燃后的二氧化碳（CO2）数量并没有增加，只增加了动力、水（H2O）与热能。回收水可二次电解水再利用；将热能继续转化成电能重复使用，真正实现循环利用，可望达到增加动力30%，或者节省汽油30%之目的。
三、汽油发动机缺氧与富氧状态的分析
从燃烧化学角度来说，氧气浓度的多少直接影响燃油燃烧的热力学参数变化和燃烧生成物的成分，下面只从两种具体状态对比分析。
⑴发动机在0海拔正常（富氧）情况下：汽油燃烧反应的化学方程式是化学方程式①：2C8H18+25O2=燃烧=16CO2+18H2O。当缺氧2O2时其化学方程式就变成②：2C8H18+23O2=燃烧=12CO2+4CO+18H2O 或者13CO2+2CO+C+18H2O，相比较看来含氧量对汽油燃烧的化学反应是十分敏感的。
⑵根据位于西藏高原的拉萨市（海拔3658米），空气密度是每立方米810克，年平均气压652毫克，分别是平原地区的62%和64%，比平原地区低1/3即缺氧近30%，其化学方程式就变成为③：2C8H18+20O2=燃烧=10CO2+2CO+2C+18H2O或者11CO2+5C+18H2O。若缺氧太多时就有一部分变质变性的废油排出，直至不能燃烧。
对比方程式①至③，发现缺氧4O2时又有新的产物C生成。A.对比C8H18发现耗油量未增减；②对比CO2发现动力减少了约1/3；③对比H2O并无变化；④缺氧时增加了CO与C的排放，这正是发动机“冒黑烟”的主要原因。因此，解决发动机动力不足的关键问题是将发动机缺氧状态改变为富氧状态。
四、汽油发动机在加氧加氢状态的分析
下面着重分析加氧加氢后发动机工作状况的改善问题：
⑴着火延迟期的长短主要与燃油的化学、物理性质、混合气体当量比、点火能量、缸内温度与压力等有关。根据氢氧燃烧反应比汽油燃烧反应更瞬间、更巨烈、更高温（氢气的燃烧热能比汽油多3倍）的特点，我们假设在其它条件不变情况下，给化油器中增加氢气和氧气，这样增加了混合气体当量比、提高了点火效率、增高了点火瞬间温度与压力，更重要的是缩短了着火延迟期而提前进入了发动机主燃期，给汽油充分燃烧争取到了关键时间。
⑵主燃期是指气缸内火焰面半径讯速增大的过程，大部分燃油在此阶段燃烧，是爆压力和压升率最高阶段。若把（燃油+空气）燃烧反应（2C8H18+25O2=燃烧=16CO2+18H2O）改变为（燃油+空气+氢气+氧气）燃烧反应（2C8H18+25O2+2H2↑+O2↑=爆燃=16CO2+20H2O）时，对比结果得知唯有H2O增加11%，说明爆压力和压升率提高了约11%，使发动机功率更强劲。
⑶后燃期是指在主燃期内剩余的未燃部分燃料，以及膨胀过程中由于温度下降，部分高温下离解的CO2和H2O继续燃烧至排放的过程。我们知道汽油燃烧最高温度可达到1000℃，可氢气燃烧最高温度可达到3000℃，相比较这高出2000℃的温差，正是离解大量CO2、CO和H2O并继续燃烧的有效能量（其化学反应方程式为：CO2+CO+H2O=离解=4H2↑+2O2↑+2C=燃烧=2CO2+4H2O），同时为实现环保零排放再做贡献。
通过以上分析，发现哪怕加氢加氧的量并不大，也能起到瞬间导火、助燃、增温、增压、再燃、环保的作用。
五、加氧加氢化油器的设计
目前市场上真没有现成的同时加氧、加氢、加油的化油器，要想把几种易燃易爆物质按照最高效、最经济的比例混合使用的技术是很复杂的。暂时只做了最简单的定性试验：买了个排气量26CC的汽油发动机，在化油器的中位打小孔连接氧气瓶；在化油器后座附近打小孔并连接氢气瓶。在海拔2000米处试车，当发动机正常并固定油门时，稍加点氧气，发动机螺旋桨明显增速了，估计动力增加约20%，同时尾烟很少了；这时再稍加点氢气，发现发动机螺旋桨超速了，并有连续的“爆炸”声出现，根本看不到尾烟了。但考虑安全与技术问题，就立即停止了试验了，就当抛砖引玉吧。
六、对能否节能30%的分析
常规汽油发动机是将化学能转化为热能再转化为动能，然后直接排放热能的过程。本款发动机增加了把被排放的热能转化为电能、再转化为氢能、再转化为热能、再转化为动能的这一连续转化过程。按照氢气热能比汽油高3倍、“热转电”效率25%、“电转氢”70%计算：燃烧1000克汽油能制造约50克氢气，即直接节油15%约150克，氢气混烧比为5%。按照掺氢气5%混燃，即可提高燃料利用率和减轻尾气污染，平均热效率可提高15%（因为加入5%氢气超过了氢气浓度4%的爆炸底线，故从燃烧状态跨入到爆燃状态），即节油150克。以上两项累计节油300克，节能达到了30%。
通过以上六点论据的证明，从理论上来说，实现“热转电制氧制氢汽油发动机可望节能30%”是可行的，关键技术取决于热能转化为电能的科研水平。但要设计出这款发动机及自动调整发动机工况的电子系统，还得发动机专家去试验解决了。
参考文献
[1]谭利华. 发动机节能减排的控制研究[J]. 机电产品开发与创新，2011，（01）：27-28+23.
[2]王艳春，李建军，宋志章. 汽车发动机节能调度方法研究与仿真[J]. 计算机仿真，2013，（03）：166-168+242.
[3]刘勇，邢敏，程镜良等. 发动机节能技术漫谈（下）[J]. 驾驶园，2013，（09）：57-63+56.
关键词： 热转电制氧制氢汽油发动机，节能，汽车
对发动机老式化油器汽车来说，由于化油器的油气混合比是恒定的，当高原上空气稀薄时，就可能出现油气混合比比例失调，发动机多耗油而无力，排气管冒黑烟的现象。此问题可以通过调整发动机的工况或者加装单涡轮或双涡轮增压加以改善。如何解决发动机在随着海拔高度升高而自然降压缺氧的情况下，继续保持发动机的动力尽可能不变呢？最好的办法就是既能给发动机按需增加氧气，同时又增加爆燃物质氢气来提升发动机的动力，这就是我设计“热转电制氧制氢汽油发动机”的目的。现就其可行性论证如下：
一、利用汽车发动机热能发电的发展潜力
可以采用热电堆将热能转化为电能，热能转化为电能主要是根据贝塞尔效应。历年研究与发展情况如下：
⑴1821年，德国物理学家赛贝尔（T.J Seebeck，1780～1831）首先发现了“温差电”现象。
⑵曼彻斯特大学研制的陶瓷可以利用热电材料转换热量，并产生足够的充电电力。
（3） 美国西北大学和密歇根州立大学的机械工程师，合作开发出一种稳定的环保型且低价格的热电材料--碲化铅与碲化锶纳米晶体材料，热电品质因数达到2.2，可将20%的废热转换成电力，成为目前最有效的热电材料。
通过以上的科研成果发展历程证明，利用汽车发动机热能高效转化成用于电解水的电能，将来有望实现。
二、电解水制氧制氢与氢氧燃烧技术早已成熟
⑴电解水制氧、制氢的化学方程式是：2H2O=通电=2H2↑+O2↑。
⑵在发动机缸内充分燃烧氢气与氧气的化学方程式是：2H2↑+O2↑=爆燃=2H2O。
⑶在发动机缸内充分燃烧汽油（C8H18）的化学方程式是：2C8H18+25O2↑=燃烧=16CO2+18H2O。
⑷在发动机缸内充分燃烧汽油（C8H18）加氢气（H2↑）加氧气（O2↑）的混合气体的化学方程式是：2C8H18+25O2+2H2↑+O2↑=爆燃=16CO2+20H2O+热能。
对化学方程式⑶与⑷比较，发现给发动机加氢气与加氧气后，其爆燃后的二氧化碳（CO2）数量并没有增加，只增加了动力、水（H2O）与热能。回收水可二次电解水再利用；将热能继续转化成电能重复使用，真正实现循环利用，可望达到增加动力30%，或者节省汽油30%之目的。
三、汽油发动机缺氧与富氧状态的分析
从燃烧化学角度来说，氧气浓度的多少直接影响燃油燃烧的热力学参数变化和燃烧生成物的成分，下面只从两种具体状态对比分析。
⑴发动机在0海拔正常（富氧）情况下：汽油燃烧反应的化学方程式是化学方程式①：2C8H18+25O2=燃烧=16CO2+18H2O。当缺氧2O2时其化学方程式就变成②：2C8H18+23O2=燃烧=12CO2+4CO+18H2O 或者13CO2+2CO+C+18H2O，相比较看来含氧量对汽油燃烧的化学反应是十分敏感的。
⑵根据位于西藏高原的拉萨市（海拔3658米），空气密度是每立方米810克，年平均气压652毫克，分别是平原地区的62%和64%，比平原地区低1/3即缺氧近30%，其化学方程式就变成为③：2C8H18+20O2=燃烧=10CO2+2CO+2C+18H2O或者11CO2+5C+18H2O。若缺氧太多时就有一部分变质变性的废油排出，直至不能燃烧。
对比方程式①至③，发现缺氧4O2时又有新的产物C生成。A.对比C8H18发现耗油量未增减；②对比CO2发现动力减少了约1/3；③对比H2O并无变化；④缺氧时增加了CO与C的排放，这正是发动机“冒黑烟”的主要原因。因此，解决发动机动力不足的关键问题是将发动机缺氧状态改变为富氧状态。
四、汽油发动机在加氧加氢状态的分析
下面着重分析加氧加氢后发动机工作状况的改善问题：
⑴着火延迟期的长短主要与燃油的化学、物理性质、混合气体当量比、点火能量、缸内温度与压力等有关。根据氢氧燃烧反应比汽油燃烧反应更瞬间、更巨烈、更高温（氢气的燃烧热能比汽油多3倍）的特点，我们假设在其它条件不变情况下，给化油器中增加氢气和氧气，这样增加了混合气体当量比、提高了点火效率、增高了点火瞬间温度与压力，更重要的是缩短了着火延迟期而提前进入了发动机主燃期，给汽油充分燃烧争取到了关键时间。
⑵主燃期是指气缸内火焰面半径讯速增大的过程，大部分燃油在此阶段燃烧，是爆压力和压升率最高阶段。若把（燃油+空气）燃烧反应（2C8H18+25O2=燃烧=16CO2+18H2O）改变为（燃油+空气+氢气+氧气）燃烧反应（2C8H18+25O2+2H2↑+O2↑=爆燃=16CO2+20H2O）时，对比结果得知唯有H2O增加11%，说明爆压力和压升率提高了约11%，使发动机功率更强劲。
⑶后燃期是指在主燃期内剩余的未燃部分燃料，以及膨胀过程中由于温度下降，部分高温下离解的CO2和H2O继续燃烧至排放的过程。我们知道汽油燃烧最高温度可达到1000℃，可氢气燃烧最高温度可达到3000℃，相比较这高出2000℃的温差，正是离解大量CO2、CO和H2O并继续燃烧的有效能量（其化学反应方程式为：CO2+CO+H2O=离解=4H2↑+2O2↑+2C=燃烧=2CO2+4H2O），同时为实现环保零排放再做贡献。
通过以上分析，发现哪怕加氢加氧的量并不大，也能起到瞬间导火、助燃、增温、增压、再燃、环保的作用。
五、加氧加氢化油器的设计
目前市场上真没有现成的同时加氧、加氢、加油的化油器，要想把几种易燃易爆物质按照最高效、最经济的比例混合使用的技术是很复杂的。暂时只做了最简单的定性试验：买了个排气量26CC的汽油发动机，在化油器的中位打小孔连接氧气瓶；在化油器后座附近打小孔并连接氢气瓶。在海拔2000米处试车，当发动机正常并固定油门时，稍加点氧气，发动机螺旋桨明显增速了，估计动力增加约20%，同时尾烟很少了；这时再稍加点氢气，发现发动机螺旋桨超速了，并有连续的“爆炸”声出现，根本看不到尾烟了。但考虑安全与技术问题，就立即停止了试验了，就当抛砖引玉吧。
六、对能否节能30%的分析
常规汽油发动机是将化学能转化为热能再转化为动能，然后直接排放热能的过程。本款发动机增加了把被排放的热能转化为电能、再转化为氢能、再转化为热能、再转化为动能的这一连续转化过程。按照氢气热能比汽油高3倍、“热转电”效率25%、“电转氢”70%计算：燃烧1000克汽油能制造约50克氢气，即直接节油15%约150克，氢气混烧比为5%。按照掺氢气5%混燃，即可提高燃料利用率和减轻尾气污染，平均热效率可提高15%（因为加入5%氢气超过了氢气浓度4%的爆炸底线，故从燃烧状态跨入到爆燃状态），即节油150克。以上两项累计节油300克，节能达到了30%。
通过以上六点论据的证明，从理论上来说，实现“热转电制氧制氢汽油发动机可望节能30%”是可行的，关键技术取决于热能转化为电能的科研水平。但要设计出这款发动机及自动调整发动机工况的电子系统，还得发动机专家去试验解决了。
参考文献
[1]谭利华. 发动机节能减排的控制研究[J]. 机电产品开发与创新，2011，（01）：27-28+23.
[2]王艳春，李建军，宋志章. 汽车发动机节能调度方法研究与仿真[J]. 计算机仿真，2013，（03）：166-168+242.
[3]刘勇，邢敏，程镜良等. 发动机节能技术漫谈（下）[J]. 驾驶园，2013，（09）：57-63+56.