关于高海拔地区制氧设备在发动机运行中使用的可行性研究.doc

关于高海拔地区制氧设备在发动机运行中使用的可行性研究我国是一个多山的国家，高海拔地区占我国地域面积的一半以上特别是青藏高原和川藏高原，都在海拔 3000 米以上这些地区幅员广大，且人员稀少空气密度也只有海平面的 65%青藏高原的面积达 250 万平方公里，平均海拔4700 米左右，被称为"世界屋脊 "、"地球第三极"它独特的地理地形地势，构成了恶劣的环境气候，其中最为突出的问题是严重缺氧海拔每升高 1000 米，大气压下降 9.9 千帕(海平面的大气压为 101.8 千帕),也就是空气稀薄了约 10%，既空气中的含氧量减少了 10%在海拔达到 4700 米时，空气中的含氧量约为海平面的 50%，比维持生命所需最低含氧量还要低因为氧气是人体生理代谢的基本元素，缺氧会对各个系统机能产生影响和损伤，其典型症状是头昏、头痛、恶心、呕吐、心慌、气短、烦躁、乏力、食欲减退、睡眠障碍高原军用车辆更迫切需要车载制氧机我国高原地域广阔，边境线很长在高原气候条件下，高原山地执行值勤任务的指战员的战斗力旺盛与否，车辆能否正常工作，关键之一是氧气供应量为各种军用坦克、装甲车、测控车、指挥车、运输车量提供轻便、实用的制氧设备，保持指战员的身体健康和精力旺盛，已经迫在眉睫，政治意义显著，市场前景巨大。

目前对在这些地区生活的人们来说，其动力来源，大多主要是由发动机提供但许多发动机是由沿海地区制造的，在高海拔地区则效率低下，有的甚至不能使用有些虽然是为高海拔地区专门设计制造的，但效率与低海拔地区还是差距较远，其原因就是由高海拔地区空气稀薄，发动机进气中氧含量不足造成的随着当前国际油价的不断攀升，节约能源突显重要一、海拔高度对发动机使用性能的影响1 动力性下降（1）海拔高度增加，气压逐渐降低，空气密度减小致使发动机进气量减小，平均指示压力下降，使发动机的动力性下降2）随海拔高度增加，大气压力降低，进气管真空度下降，使发动机转速下降；同时由于可燃混合气过浓，发动机怠速稳定性下降，如图所示 2 燃料经济性变坏（1）随着海拔高度的增加，空燃比变小，可燃混合气变浓，油耗增加；（2）海拔高度增加，使动力性能下降，迫使低速运行引起油耗增加；（3）由于大气压力降低，燃料蒸发性提高，燃料系易产生气阻及渗漏，致使油耗增大3 机油变质（1）由于在高原地区行驶的发动机动力性下降，使发动机长时间满负荷工作发动机易过热，使机油变稀；（2）过浓的可燃混合气燃烧不完全，窜入曲轴箱，冲淡机油、润滑作用下降，加剧机件磨损。

4 对排气污染的影响海拔高度增加，使空燃比变小，CO 和 HC 生成量增加，NOx 生成量减少，如图 2 所示3003504004505005506000 1000 2000 3000 4000海 拔 高 度 /m发动机怠速转速/(r·min-1)二、制氧设备辅助发动机运行的可行性关于内燃机富氧燃烧，国内外开展了较多的研究美国、日本在这方面的研究工作开展得较多，出现了一系列内燃机富氧燃烧的专利我国学者梁从辉曾对柴油机应用富氧空气燃烧的指示功率、机械效率、油耗率以及对滞燃期、速燃期、缓燃期和后燃期的影响进行了研究周斌采取磁力富氧的方法为内燃机提供富氧空气，得到了油耗降低的实际效果大连理工大学内燃机所把含氧量分别为 21%、23% 、25%、27%的富氧空气用于 L195 型柴油机进行实验，得到了油耗下降、烟度降低、超负荷能力增加、排污改善的试验结果俞文国提出了车船用化学制氧装置的专利，也有人提出过分子筛制氧、膜分离制氧的概念思想然而，对在高海拔地区、空气稀薄的条件下，内燃机加氧燃烧的研究却没有要使发动机正常工作，仅靠增压的方式，将空气压进发动机是不够的，就要增加空气的进入量，特别是增加氧气的进入量。

利用制氧设备产生氧气，通过发动机的空气滤清器进入发动机，发动机吸入的空气中氧含量增加，即空气密度增加，从而提高发动机的工作效率形象比喻为两口入，一口出发动机用氧与人用氧是有很大区别的人用氧气需要滤除其氧气中的有害气体和杂质，还要有一定的湿度所以设备复杂，要求高而发动机的要求要简单的多对含氧量也不需严格控制用氧只是为了提高在高海拔地区发动机的效率三、制氧设备的原理和使用随着科技的发展，制氧设备也得到了广泛的应用在沿海地区的医院中，几乎都使用制氧设备提供氧气而氧的来源是空气是利用分子筛原理将空气中的氧气分离出来其过程简单，能耗少费用低，具有较高的经济使用价值变压吸附法是 Skarstrom 等人 1960 年发明的，最初在工业上主要用于空气干燥和氢气纯化1970 年后才开发用于空气制氧或氮，1976 年后逐渐开发成功用碳分子筛和用沸石分子筛变压吸附，从空气中制氧目前，PSA 制氧技术已广泛应用于工业生产之中，规模在产氧 50m3/h 到 6000m3/h 的技术已经成熟技术优势及技术水平变压吸附空分制氧设备的技术优势为：分子筛性能先进，使用量少，使用寿命长；氧气收率高，鼓风机、真空泵负荷小；单位制氧电耗低、冷却水消耗少；气动切换阀门可靠性高；自动化程度高；车载制氧机一、 项目的提出本项目的目的是研究开发车厢内供氧车载制氧机。

随着汽车工业的迅速发展，人民生活水平的逐渐提高，国家西部大开发的深入，需求车载制氧机的巨大商机正在形成1、严重缺氧的青藏高原急需车载制氧机尤其是在青藏高原开车的司机，因缺氧导致定位能力、判断能力明显下降，反应速度变慢、动作笨拙迟钝，致使青藏公路上惨痛车祸频频发生，造成生命财产的巨大损失因此，青藏线上迫切需要车载制氧机这种制氧机能像车上的空调器那样独立工作，所制氧气足够司机和四个乘员使用，消除头痛、头昏等缺氧反应，防止高原缺氧对人员造成的损害，减少恶性交通事故具有重大的经济和社会效益其市场的迫切性和广泛性已是不言而愉2、3、 使用空调器的各种车辆迫切需要车厢供氧装置 使用空调器时，必须将车窗密封，在此情况下，车厢内的氧气会迅速消耗以桑塔纳牌汽车为例做实验，司机加乘员共 4 人，在使用空调器和基本密闭车窗的条件下行驶3 小时，车厢内的氧气含量由原来的 21%降低至 16.5%司乘人员都有不同程度的头晕、恶心等反应近年来，在小汽车里开空调而致残致死的事件也时有报道，尤其是停车时发动机处于怠速状态，便会在不知不觉中使人中毒，严重的会死亡，其原因就是缺氧造成一氧化碳中毒1995 年 8 月 9 日，宜兴市 2 人由于天气炎热而在开空调的面包车中过夜，次日凌晨被发现窒息死亡。

分析原因，是缺氧窒息所致因此，人们迫切希望能有一种体积小、使用方便的车载制氧机，以给司乘人员补充呼吸用的氧气，消除事故隐患如果这种制氧机一旦问世，中国乃至世界的各种乘用汽车都是潜在的用户 综上所述，利用现代高科技手段研究开发车载制氧机，解决车厢内缺氧，在我国的青藏高原军用、民用的各种车辆上即可得到广泛应用，市场现实而又急需这种设备推广应用到祖国内地以及世界各地的乘用车辆，市场前景不可估量！必将形成一个高技术、高附加值、无污染市场潜力巨大的新兴产业二．国内外概况改善车厢空气质量和内燃机燃烧状况，一直受到人们的重视为了改善车厢内空气的质量，国内外研究了多种方法常见的有添加空气清新剂，安装富氧离子发生器等等但这些装置只能在一定程度上改善空气的质量，不能从根本上解决缺氧问题也曾有人设想采用电解水制氧的方法为车厢内提供氧气，但由于功耗过大而无法在机动车辆上使用目前，市场上还尚未见类似产品车载制氧机的研究开发，是一种全新的高新技术创意，谁首先抓住了机遇，推出了这一创新产品，谁就将获得占有潜在的巨大市场的主动权，获得巨大的经济社会效益三．技术路线和主要技术参数1．技术路线本项目研究应用分子筛吸附物理原理和变压吸附制氧高新技术，根据高原、内地的环境特点和各种车辆的结构特征，研制、开发、生产、销售车载制氧机。

2．主要技术参数如下：1）原料：空气；2）制氧规模：3L/min～10L/min；3）氧气浓度：30～80%；4）噪声：分离主机<55dB；5）出氧压力：0.04MPa；6）氧气温度：环境温度四．需求分析车载制氧机应用定位在高原和内地的车厢供氧使用1、 高原车辆需求在青藏高原上使用的车辆有越野车如丰田陆地巡洋舰、国产猎豹、雪佛兰，客运车如亚星奔驰、丹东黄海以及载重卡车如解放、东方、北方奔驰等数种主要车型1）越野车目前青藏铁路工程、西藏军区所拥有的高级越野车约 5000 辆市场调查显示，即使制氧机价格 1-2 万， 80%以上的车主都愿意安装制氧机市场需求约 4000 台制氧机2）客运车和载重汽车目前青藏铁路工程、西藏自治区、西藏军区、解放军总后勤部青藏兵站共拥有客运车和载重车等约 4 万辆市场调查说明有 50%的市场实现能力，即 2 万台制氧机需求量以上 24000 台是目前急需的现实市场需求量3）青藏高原的潜力在西部大开发热潮中，青藏高原的建设步伐正在加快六年工期的青藏铁路施工刚刚才过去一年，投资 11 亿多元的公路改造工程又已经上马前不久，内地对口支援的70 项工程也已经计划落定即使 2007 年火车通到拉萨以后，还有拉萨到灵芝、日哈则、中尼边境铁路要修。

业已勘明的雅鲁藏布江大峡谷 4000 万千瓦水能资源以及青藏铁路沿线丰富的黄金、铜、石油、天然气资源，也将开始大规模的开发这就是说，适合青藏高原所需的车载制氧机，其市场前景是极其光明的2、 内地乘用车辆我国幅员辽阔，人口众多，汽车需求量十分巨大据保守统计，目前，我国汽车保有量已达 2000 余万辆，年产各种汽车 300 万辆，其中小轿车近 100 多万辆，并且增长迅速若 100 辆汽车中有 2 辆装用一台富氧装置，则现有需求量为 40 万台，每年增加量为 4万台此外，这种产品一旦问世，世界市场的需求更是不可估量可见，车载制氧机的市场潜力极其巨大六．技术可行性1．变压吸附高新技术的成熟性目前变压吸附领域的前沿高新技术是研制开发各种车用、家用微型制氧机和高浓度制氧机2．北京科技大学有雄厚的技术基础北京科技大学自 60 年代起设立了制氧专业，成为冶金系统制氧技术开发应用和人才培养的中心30 多年来，为冶金系统培养了大批制氧技术专业人才，形成了一支老中青相结合的制氧技术研究队伍，具有良好的实验条件先后在深冷法制氧、变压吸附制氧、薄膜制氧、氧气测定技术、富氧燃烧技术等领域开展了大量的科学研究，取得了多项重要的科研和技术开发成果。

空气分离技术研究方向可以招收硕士和博士研究生近来 ，北京科技大学在微型制氧技术研究开发方面又取得了重要技术成果与中国高新投资集团合作开发的变压吸附微型制氧机在有关指标达到国家标准的同时，在成本指标、噪声指标等方面达到了领先水平，具有极大的市场竞争优势目前，这一高新技术产品正在北京中关村高科技园区产业化，并列为北京市重大科技成果推广计划结合青藏铁路急需而开发高原专用微型制氧机，已广泛用于铁道部青藏铁路指挥部、各个铁路局建设工地，受到普遍认可和赞誉为世界最高隧道，青藏铁路风火山隧道研制成功了世界上海拔最高的制氧供氧系统， 填补了世界高原制氧技术的空白，通过铁道部主持的国家鉴定，研究成果达到世界领先水平此后，先后又成功建设了青藏铁路秀水河、沱沱河、雁石坪制氧系统，使 2 万余人解除了高原缺氧的痛苦和危险受到了铁道部领导、高原病防治专家的高度评价中央电视台、人民日报、中国建设报、铁道报、健康报等多家进行了报道该成果被评为 2002年中国高校十大科技进展相关成果分别获得铁道部科技进步二等奖，教育部科技进步二等奖，中国第十四届发明展览会银奖3、 高原车载制氧机已完成了实验样机研制在上述高原制氧技术的基础上以及广大用户的催促下，北京科技大学气体制备与应用研究开发中心自筹经费，组织由多名教授、博士、研究生组成的攻关队伍自今年年初就开始高原车载制氧机的研制工作。