壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的可行性研究

　　壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車(chē)的可行性研究許宏博士許宏介紹了壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的工作原理(yuán lǐ)結構特點(diǎn)及其“零污染”特性，分析了壓縮空氣動(dòng)力的能量(energy)轉換過(guò)程，并與常用電動(dòng)車(chē)車(chē)載電池（Battery）特性進(jìn)行了比較介紹了壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的動(dòng)力分配方式和整車(chē)特性以及壓縮空氣的存儲特性認為壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)在原理上是可行的，技術(shù)上可實(shí)現，是-種無(wú)污染、結構簡(jiǎn)單、制造和使用方便(，并有廣闊應用前景的新型動(dòng)力汽車(chē)。
　　1環(huán)境保護汽車(chē)的進(jìn)展從20世紀30年代以蓄電池作為動(dòng)力的EV電動(dòng)車(chē)到現在的HEV復合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)及代用燃料汽車(chē)，汽車(chē)用能源的研究與開(kāi)發(fā)從未間斷代用燃料汽車(chē)，如天然氣（CNGLNG）汽車(chē)、醇類(lèi)汽車(chē)、二甲醚（DME）汽車(chē)等仍然有排放污染和熱效應，有些燃料還有毒性，有些燃料燃燒(combustion)控制困難電動(dòng)汽車(chē)行駛中無(wú)污染排放、噪聲低能量(energy)轉換效率高，但電池驅動(dòng)的電動(dòng)汽車(chē)受制于車(chē)載電池，在比功率、循環(huán)壽命、充放電性能、造價(jià)和安全性等方面一時(shí)難以達到實(shí)用的程度，同時(shí)，電池本身也存在嚴重的二次污染混合動(dòng)力電動(dòng)車(chē)具有電池電動(dòng)車(chē)和內燃機汽車(chē)的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在排放問(wèn)題(Emerson)，由于有2套動(dòng)力裝置，其驅動(dòng)和控制系統(system)更復雜燃料電池電動(dòng)車(chē)是人們寄予厚望的，目前認為最有發(fā)展前途的是質(zhì)子交換膜燃料電池（DEMFC），可實(shí)現零排放，能量轉換率高，結構簡(jiǎn)單但燃料電池的制造成本(cost)比較高，氫氣的安全存儲、制備和灌裝都有許多問(wèn)題，制約了這種電動(dòng)車(chē)輛(Vehicle)的發(fā)展和實(shí)用化太陽(yáng)(sun)能電動(dòng)車(chē)仍需減小電池體積和提高光電轉換效率飛輪電池技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展人們期待著(zhù)一種沒(méi)有污染用之不竭的新型：2002-基金項目：國家自然科學(xué)(science)基金-福特基金資助項目（50122115）能源的出現，壓縮空氣能源正好滿(mǎn)足這種要求2壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的原理壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)使用高壓壓縮空氣為動(dòng)力源，空氣作為介質(zhì)，汽車(chē)運行時(shí)將壓縮空氣存儲的壓力(pressure)能轉換為其它形式的機械能以液態(tài)空氣和液氮吸熱后膨脹做功為動(dòng)力的其它氣體(gas)動(dòng)力汽車(chē)也屬于氣動(dòng)汽車(chē)范疇氣動(dòng)汽車(chē)工作原理與傳統(Tradition)汽車(chē)基本相同，最大差別在于汽車(chē)動(dòng)力來(lái)源的不同，其發(fā)動(dòng)機總體結構形式仍可借鑒傳統汽車(chē)的模式為法國MDI出品的壓縮空氣動(dòng)力和內燃機動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的外觀(guān)圖，為其結構示意圖發(fā)動(dòng)機由進(jìn)氣壓縮缸、膨脹排氣缸和球型定容燃燒室組成，通過(guò)電控裝置進(jìn)行燃料動(dòng)力和壓縮空氣動(dòng)力的切換若將中的球型定容燃燒室及其相應裝置篩除，即成為純粹以壓縮空氣為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機，合理安排進(jìn)氣相位，各活塞將在壓縮空氣的推動(dòng)下往復運動(dòng)壓(Dynamic)縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機有旋轉(Rotating)活塞式和氣馬達型等多種結構形式，目前只有往復活塞式結構的報道為了有更好的動(dòng)力特性和結構特性，一般都設計為多缸形式壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機工作時(shí)，儲氣瓶中的高壓壓縮空氣經(jīng)減壓后，通過(guò)熱交換器吸熱，再進(jìn)入作用缸推動(dòng)負載運動(dòng)，通過(guò)調節進(jìn)入作用缸的氣體壓力和流量以調整發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力特性改變缸徑、缸數和布局可以得到多種形式的發(fā)動(dòng)機3壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的可行性分析3.1能量分析對壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)使用性能的要求與常規汽車(chē)一樣，決定壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)前景(front view)的關(guān)鍵是如何提高壓縮空氣的能量利用率(availability)Z即實(shí)際壓縮空氣所做的膨脹功與壓縮空氣中存儲的壓力能的比。
　　空氣由高壓到低壓的減壓過(guò)程，圖中曲線(xiàn)12分別表示壓縮空氣的等溫、絕熱膨脹過(guò)程，實(shí)際的減壓膨脹做功過(guò)程介于曲線(xiàn)12之間。昆山空壓機是回轉容積式壓縮機，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉子相互嚙合，使兩個(gè)轉子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。圖中PiVi―起始點(diǎn)氣體(gas)壓力、體積；A為起始點(diǎn)，BCDE為相應的分級壓力控制時(shí)的壓力分級點(diǎn)，在這些點(diǎn)處有等容吸熱過(guò)程，如B―C和E等曲線(xiàn)1與坐標ViV2間所包含的面積表示壓縮空氣儲存的能量釋放所能轉變的氣體膨脹功。
　　假定高壓氣罐的充氣壓力為1儲氣體積為Vi，按曲線(xiàn)1的理想氣體完全等溫膨脹(inflate)到常壓時(shí)所能做的全部膨脹功為膨脹后的終了狀態(tài)為（P2，V'2）法國MDI發(fā)動(dòng)機的參數為起始儲氣壓力p 300L，終了室溫狀態(tài)下的壓力戶(hù)2=0.1MPa，由41鎳鎘電池55鎳氫(Hydrogen)電池80鈉硫電池100鈉氯化鎳電池120鋰離子電池150鋰聚合物電池115鋅（Zinc）空氣電池180鋁（Al)空氣電池200壓縮空氣（常溫，30MPa，300L）61目前德、美等國已有超高壓充氣設備，我國也能生產(chǎn)鋁合金(alloy)內膽碳纖維纏繞的超高壓儲氣罐。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。制罐工藝的改進(jìn)將使存儲壓力進(jìn)一步提高，比能量將隨之提高。
　　假定工作溫度為27°C，可求得體積為300L壓力為30MPa的壓縮(compression)空氣的質(zhì)量為104.氣罐重約130kg，對應的壓縮空氣的比能量約為61W‘h/kg表1為壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)與多種車(chē)載電池比能量的對比提高壓縮空氣使用效率、增大罐容和增大充氣壓力是提高一次充氣行駛里程的主要手段當然增大罐容受到汽車(chē)有效空間的限制，增大充氣壓力則受制罐工藝的限制在罐容充氣壓力和汽回收、少損減壓控制和合理的動(dòng)力分配方式等問(wèn)題都與Z有關(guān)，需進(jìn)一步深入研究。昆山空壓機保養是回轉式連續氣流壓縮機，在其中高速旋轉的葉片使通過(guò)它的氣體加速，從而將速度能轉化為壓力。這種轉化部分發(fā)生在旋轉葉片上，部分發(fā)生在固定的擴壓器或回流器擋板上。
　　4壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的特點(diǎn)壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)在電f能-壓力f能-機械能的轉換過(guò)程(guò chéng)中，無(wú)（礦物）燃料的燃燒，排放的仍然是無(wú)污染無(wú)熱輻射的空氣，噪聲小，是真正“綠色”“零污染”概念的汽車(chē)與傳統的汽車(chē)相比，其發(fā)動(dòng)機工作時(shí)無(wú)燃料的燃燒過(guò)程，所以發(fā)動(dòng)機的結構很簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、造價(jià)低，對材料要求低，設計和制造容易。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。與用液氮、液空的汽車(chē)相比，氣體膨脹作功時(shí)吸熱量相對較小，比液氮、液空的制備及存儲費用少得多。內燃機動(dòng)力和壓縮空氣動(dòng)力混合動(dòng)力汽車(chē)可徹底解決吸熱問(wèn)題，特別是在環(huán)境溫度較低時(shí)尤為重要。
　　壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)的能量傳遞快捷，儲存容易，空氣介質(zhì)來(lái)源方便、清潔、價(jià)廉，所需的電力能量容易獲??；家用充氣設備和加氣站等社會(huì )基礎建設費用不高，較容易建造；整車(chē)使用維護和生產(chǎn)費用低，且可利用現有氣動(dòng)技術(shù)、汽車(chē)設計和制造技術(shù)，研制和開(kāi)發(fā)周期短對污染要求特別嚴格的城市中心、重點(diǎn)旅游區、自然保護區以及對噪聲要求嚴格的場(chǎng)合或室內使用的中小型工具運輸(transport)工具等，以及短途的交通工具、軍用潛艇等，壓縮空氣動(dòng)力都將有不可替代（用一物質(zhì)代替另一物質(zhì)（多為強者取代弱者的地位))的作甩我國電力資源非常豐富，而石油資源相對緊缺，壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)是對電力能源很好的二次利用，符合我國目前和將來(lái)能源結構調整的大趨勢。
　　5結論壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)是不同于內燃機汽車(chē)及各種電動(dòng)汽車(chē)的一種全新的“零污染”汽車(chē)壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)原理上是可行的，其結構簡(jiǎn)單造價(jià)低廉，同時(shí)符合環(huán)境(environment)保護、節約(jié yuē)資源的可持續發(fā)展戰略（strategy）
　　壓縮(compression)空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車(chē)技術(shù)上優(yōu)勢明顯，壓縮空氣來(lái)源方便，能量?jì)Υ娣绞絻?yōu)于電氣、液壓（hydraulic)等其它方式。昆山空壓機保養冷卻水通過(guò)管道進(jìn)入空壓機中間冷卻器對一級壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過(guò)主電機上部的兩組換熱器冷卻電機繞組，還有一路對油冷卻器進(jìn)行冷卻。
　　氣動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的研究思路可以沿用現有的汽車(chē)技術(shù)，氣動(dòng)控制及氣動(dòng)系統實(shí)現已是成熟技術(shù)，相關(guān)(related)的高壓氣動(dòng)控制元件技術(shù)上也是可行的。車(chē)行駛里程之間有最優(yōu)匹配參數，而壓縮空氣能可以預計，壓縮空氣動(dòng)力汽車(chē)在通用場(chǎng)合和量使用(use)率Z是最大的變數，發(fā)動(dòng)機結構(優(yōu)化（optimalize）、能量特殊領(lǐng)域都能得到廣泛的應甩注塑制品翹曲變形數值分析模型一一郭志英阮雪榆李德群文章編號：1004-13X（2002）17-1515-03注塑制品翹曲變形數值分析模型郭志英博士郭志英阮雪榆李德群曲變形有限元模擬數學(xué)模型，并對模擬結果進(jìn)行實(shí)驗驗證，證明了翹曲變形模型及分析軟件的正確性注塑成形是批量生產(chǎn)塑料制品的首選方法。
　　但如何減少、防止制品成形中時(shí)常發(fā)生的翹曲現象，是經(jīng)常困擾工程師的一大難題而僅僅依靠傳統的經(jīng)驗技術(shù)訣竅和不斷嘗試的方法，仍不能有效地解決問(wèn)題因此，將CAE技術(shù)應用于注塑成形，進(jìn)行翹曲變形預測，以?xún)?yōu)化產(chǎn)品、模具設計和注塑成形工藝參數設置，從而提高生產(chǎn)效率和成形質(zhì)量(quality)，是解決翹曲變形問(wèn)題的新思路。
　　1翹曲變形有限元分析模型注塑制品成形過(guò)程中可能形成多種殘余應力，其應力-應變本構方程為均勻冷卻過(guò)程所產(chǎn)生的殘余應力；為由于模具排氣或制品被頂出時(shí)可能產(chǎn)生的應力；為制品出模后繼續冷卻至室溫(temperature)時(shí)產(chǎn)生的熱應變利用虛功原理=ITdV++Fi++體積；為位移；為制品出模后繼續冷卻所產(chǎn)生熱應力的等效熱載荷；為流動(dòng)殘余應力所形成的等效載荷；為模具內不均勻冷卻所產(chǎn)生溫度應力的等效載荷；為出模時(shí)受到不均勻推力而可能產(chǎn)生的載荷且有胡小軍，董明晶蔣書(shū)運等。飛輪儲能技術(shù)的新進(jìn)程夕明，孫逢春。電動(dòng)(electric)汽車(chē)能量存儲技術(shù)概況。電（編輯蘇衛國）體傳動(dòng)及控制國家(country)重點(diǎn)實(shí)驗室博士后研究人員(personnel)。研究方向(direction)為氣壓伺服系統、氣液聯(lián)控伺服系統及其控制策略、氣動(dòng)汽車(chē)。發(fā)表論文10余篇1收穡日期：2001- 0一基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目（59975032）；國家211工程資助項目