壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的可行性分析

　　隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)從奢侈品變成代步工具，現在全球汽車(chē)保有量已經(jīng)達到8億輛。而與此對應的是：即使最樂(lè )觀(guān)的估計，全球的石油儲存也只能維持
　　四、五十年；因環(huán)境破壞引起的自然事故頻頻發(fā)生。
　　這使得人類(lèi)不得不面對兩大難題石油資源的曰益枯竭和環(huán)境污染的曰益嚴重。于是，人們的目光都聚焦到“綠色汽車(chē)”上，節能環(huán)保成了現代汽車(chē)設計的基本要求。1991年，法國F1方程式賽車(chē)工程師GuyNgre獲得了壓縮空氣發(fā)動(dòng)機的專(zhuān)利，并于1998年制造出世界上第一款在技術(shù)上和價(jià)格上都可行的“零污染”汽車(chē)。
　　1壓縮空氣(Basin air)動(dòng)力(dòng lì)汽車(chē)的工作原理(yuán lǐ)使用高壓空氣作為動(dòng)力源，空氣作為介質(zhì)，在汽車(chē)運行時(shí)通過(guò)動(dòng)力裝置把壓縮空氣儲存的壓能轉化為汽車(chē)的動(dòng)能以液態(tài)空氣或液氮吸熱膨脹做功為動(dòng)力的汽車(chē)也屬于此范疇?？諝鈩?dòng)力汽車(chē)的原理與傳統(Tradition)汽車(chē)基本相同，主要差別在于汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源不同，其發(fā)動(dòng)機的結構形式有往復活塞(piston)式和氣動(dòng)馬達等類(lèi)型，但目前國內外主要只能見(jiàn)到往復活塞式的報道，這種發(fā)動(dòng)機的總體結構形式可以借鑒傳統往復活塞式發(fā)動(dòng)機。
　　壓縮空氣動(dòng)力系統的工作原理圖見(jiàn)，儲存在氣罐中高壓壓縮空氣經(jīng)過(guò)壓力調節器減至工作壓力，通過(guò)(tōng guò)師，享受?chē)鴦谠赫厥饨蛸N，江蘇省汽車(chē)工程重點(diǎn)實(shí)驗室主任，首批江蘇省普通高?？缡兰o學(xué)術(shù)帶頭人。主要科研方向為汽車(chē)綜合節能(Energy saving)與凈化技術(shù)。獲得部省級科技進(jìn)步獎7項。熱交換器吸熱升溫(Warming)后，由配氣系統控制（control)進(jìn)入做功機進(jìn)行能量轉換，把壓能轉換成機械能。通過(guò)改變進(jìn)入空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機的氣體壓力值，可以控制發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力特性。
　　2壓縮(compression)空氣(Basin air)動(dòng)力汽車(chē)可行性分析(Analyse)2.1壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的能量分析壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的行駛里程主要由高壓氣(Pressure)罐儲存的能量決定，由于汽車(chē)空間有限，所以必須選擇一個(gè)合適的儲氣壓力。假定高壓氣罐的儲氣壓力是pl，膨脹終了的壓力值為大氣壓力p，給出了由高壓到低壓(Low pressure)的膨脹過(guò)程，圖中曲線(xiàn)（Curve）1為等溫膨脹過(guò)程，曲線(xiàn)2為絕熱膨脹過(guò)程。
　　壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機按理想的等溫膨脹過(guò)程做功并膨脹至環(huán)境壓力時(shí)，膨脹過(guò)程中系統(system)為閉口系熱力學(xué)能是溫度的單值函數，故等溫過(guò)程中U=0.境熱力學(xué)狀態(tài)(status)參數；v，v-膨脹前后的比體積（volume)；Rg-氣體常數。
　　絕熱膨脹當壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機按絕熱膨脹1過(guò)程做功并膨脹至環(huán)境壓力時(shí)：式（2）可以看出，壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機的做功能力受到膨脹初始溫度的影響(influence)。壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機在夏季（膨脹初始溫度為環(huán)境溫度300K）和冬季（膨脹初始溫度為環(huán)境溫度273K）分別按絕熱和等溫方式膨脹至大氣壓力時(shí)可用能的對比，可以看出氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機夏季的做功能力比冬季高10%左右，而且等溫膨脹過(guò)程的做功能力遠遠高于絕熱膨脹。所以這種發(fā)動(dòng)機工作在環(huán)境溫度較高的地區效果較好，可以使用輔助加熱系統(system)，或者與內燃機聯(lián)合使用，利用排氣(Exhaust)的熱量來(lái)加熱工作介質(zhì)，提高膨脹氣體的初始溫度并使工作循環(huán)盡量接近等溫過(guò)程，從而提高其性能。
　　隨著(zhù)膨脹初始壓力的增加，壓縮空氣(Basin air)的比能量的呈增加的趨勢，但是增加的幅度逐步減小?？紤]到能量利用，當前儲氣罐材料的限制和高壓空氣儲存的安全性，現在通常采用30MPa的壓力儲存壓縮空氣。
　　2.2續駛里程的分析壓縮空氣等溫膨脹至環(huán)境壓力，忽略節流、漏氣等能量損失時(shí)空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機所做功為：假設該空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機牽引的微型轎車(chē)以勻速在水平路面上行駛，該車(chē)參數如下：車(chē)迎風(fēng)面積：A=1.95m2，風(fēng)阻系數：Cd=0.3，滾動(dòng)摩擦系數：f=0.018，機械傳動(dòng)效率：n=.9.由汽車(chē)功率平衡方程：隨著(zhù)車(chē)速的上升汽車(chē)的行駛里程下降很快。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。汽車(chē)以100kn/h速度(speed)行駛時(shí)的里程數比以50kn/h速度行駛時(shí)下降近一半，當汽車(chē)運行在高速時(shí)行駛較短里程就會(huì )很快消耗（consume)掉壓縮空氣?？梢?jiàn)該車(chē)適合以較低車(chē)速運行，當汽：車(chē)以50kn/h速度運行時(shí)可以行駛近200kn.在現在復雜的城市(city)交通環(huán)境中，汽車(chē)的行駛速度通常低于50kn/h，而且200kn的行駛里程也可以滿(mǎn)足都市行駛的要求，故該車(chē)芫全有能力作為城市用車(chē)使用。
　　汽車(chē)在水平(Level)勻速行駛時(shí)主要消耗的功率是滾動(dòng)阻力功率Pf=Gfoa/3600和空氣(Basin air)阻力功率Pw=CDAu，3/76410.可見(jiàn)汽車(chē)的行駛里程與汽車(chē)的質(zhì)量和風(fēng)阻系數密切相關(guān)。顯示的是等溫膨脹時(shí)Cd= 0.3的壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)勻速行駛里程隨汽車(chē)總質(zhì)量變化的關(guān)系。
　　可以看出隨著(zhù)汽車(chē)總質(zhì)量的增加，行駛里程以較大的幅度下降，總質(zhì)量2000kg時(shí)壓縮(compression)空氣動(dòng)力汽車(chē)的行駛里程僅約為1000kg時(shí)的一半，所以降低其質(zhì)量是提高壓其行駛里程的重要手段，而這對于本來(lái)續行里程就較短的壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)尤為重要?？諝庾枇?resistance)系數對行駛里程也有一定影響，但大幅度降低空氣阻力系數很有難度（difficulty)，而它對行駛里程的增加卻很有限。
　　23環(huán)保與能源消耗空氣動(dòng)力汽車(chē)排出的廢氣是接近大氣壓力的清潔空氣，是芫全無(wú)感染的，而且它所消耗的壓縮空氣可以使用電力(electricity)壓縮空氣得到的，而電力是一種可再生能源，它可以由多種清潔的方法得到。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 現在全球(global)電力資源非常豐富，而石油儲量卻曰益減少，據估計只能使用幾十年，而且交通工具燃燒(combustion)大量不可再生能源造成能源危機并產(chǎn)生大量污染?？諝鈩?dòng)力汽車(chē)的使用不僅與世界能源結構的調整相符合而且減輕了環(huán)境(environment)的污染。
　　24經(jīng)濟(jīng jì)性在理論上，等溫壓縮空氣的過(guò)程耗能最少，絕熱壓縮過(guò)程耗能最多。為了節省能量，壓縮空氣的過(guò)程應該盡可能接近等溫過(guò)程，這可以通過(guò)帶中冷的多級壓縮來(lái)實(shí)現。對于多級壓縮過(guò)程，在各級增壓比相等時(shí)壓縮機能耗最低。壓縮機總的功耗量可以通過(guò)單級壓縮計算得出的功耗量再乘以相應的級數得到P8.壓縮機不同工作狀態(tài)壓縮氣體的能耗如下：p2―空氣壓縮機的進(jìn)、排氣氣體壓力；Rg―氣體常數，壓縮氣體的初始溫度；k一絕熱系數；z―多級壓縮的級數。上述壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車(chē)，300L壓力30MPa的壓縮空氣可以使空氣動(dòng)力汽車(chē)以50km/h的速度行駛190km.采用六級壓縮來(lái)制造這么多壓縮空氣所消耗的能量為5.6446X
　　10. 2.5結構布置與汽車(chē)質(zhì)量壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的原理與傳統汽車(chē)基本相同，都是通過(guò)機械(machinery)傳動(dòng)系傳遞動(dòng)力驅動(dòng)車(chē)輪，主要差別在于壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機代替傳統的內燃機提供動(dòng)力，而且壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機就安裝在傳統汽車(chē)發(fā)動(dòng)機安裝的位置。與傳統發(fā)動(dòng)機相比，壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機工作時(shí)無(wú)燃燒過(guò)程，對發(fā)動(dòng)機材料的要求較低，其結構簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕。壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)布置上最大的問(wèn)題是安排300L壓縮空氣的位置，這可以利用通常安置油箱的位置，可以在汽車(chē)車(chē)身和底盤(pán)設計時(shí)把多個(gè)細長(cháng)的儲氣罐嵌在車(chē)廂地板下與底盤(pán)之間或底盤(pán)中，由于壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機的體積較小，也可以利用發(fā)動(dòng)機騰出的空間。這樣可以留較大的車(chē)廂和行李箱空間給乘客使用。
　　300L壓力30MPa壓縮空氣的總質(zhì)量(quality)為104.5kg，而同級別汽車(chē)油箱裝滿(mǎn)燃料后的重量通常為40kg40kg，由于壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機（Engine）結構簡(jiǎn)單而且比內燃機少了些設備、尺寸小，質(zhì)量減輕很多綜合儲氣罐質(zhì)量和其他一些因素，壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)總質(zhì)量與同級別內燃機汽車(chē)質(zhì)量基本接近。
　　2.6高壓氣體儲存的安全性高壓氣體使用超高壓碳纖維儲氣罐來(lái)存儲，這種儲氣罐為復合型氣罐，采用了薄壁鋁合金(alloy)(熔點(diǎn)660℃)內膽，外壁纏繞高強度碳纖維的結構，具有重量輕，耐高壓，安全耐用的特點(diǎn)，使用壓力達50MPa以上，即使在裝有高壓氣體破裂的時(shí)候也不會(huì )發(fā)生爆炸，只會(huì )產(chǎn)生類(lèi)似輪胎的漏氣現象。昆山空壓機維修軸承跑外圈一般是因為配合的精度不夠以及外圈定位方式設計不合理造成的。并非所有機頭都按這個(gè)時(shí)間進(jìn)行，如果保養好的可以延后，保養差的則需要提前。 它非常適宜作為車(chē)載壓縮空氣儲氣罐使用，它的缺點(diǎn)是現階段的造價(jià)還較高。
　　3結論壓縮(compression)空氣動(dòng)力汽車(chē)作為一種新型的“零污染”汽車(chē)在理論上是可行的，它的行駛里程較短、高速耗氣快和零污染等特性決定它更適宜作為城市用車(chē)和景區旅游用車(chē)。
　　能量利用率的提高是壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)性能提高的重要指標，所以應充分利用壓縮空氣的潛能，讓膨脹終了的壓力盡量接近大氣壓力，使用輔助加熱系統或者與內燃機聯(lián)合使用利用排氣的熱量(Heat)來(lái)加熱工作(gōng zuò)介質(zhì)，提高膨脹氣體的初始溫度，并使工作循環(huán)盡量接近等溫：過(guò)程，從而提高其性能。昆山空壓機維修是更換全部磨損的零件，空壓機轉1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。昆山空壓機是一種用以壓縮氣體的設備?？諝鈮嚎s機與水泵構造類(lèi)似。大多數空氣壓縮機是往復活塞式，旋轉葉片或旋轉螺桿。離心式壓縮機是非常大的應用程序。
　　以較低的速度運行、降低汽車(chē)的總質(zhì)量、減小空氣阻力系數Cd值等對增加壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的行駛里程有著(zhù)重要的作用
　　根據對空氣(Basin air)動(dòng)力汽車(chē)續駛里程、環(huán)境保護、能源消耗、經(jīng)濟性、安全性、結構布置的可行性等因素(factor)的分析，表明空氣動(dòng)力汽車(chē)在技術(shù)上是芫全可行的。
　　壓縮空氣(Basin air)動(dòng)力(dòng lì)汽車(chē)作為一種符合當前社會(huì )需要的新型節能環(huán)保汽車(chē)，具有其它汽車(chē)所不具備的優(yōu)勢，它的出現必將為汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展注入新的活力，相信壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)在不久的將來(lái)會(huì )得到應用與推廣。