压缩空气驱动汽车的全过程能效分析

　　据报道，世界**台商业化的压缩空气驱动汽车正在准备批量生产，该空气汽车由GuyNfegre研发，将由印度*大的汽车制造厂TataMotors生产。车辆的*局车速是110km/h，续驶里程是200km.实际上对这种汽车的研究早已开始。据已有的研究报道，法国设计师GuyN6gre于1991年获得了法国气动发动机的专利，并组建了法国MDI公司专门研制气动汽车。美国华盛顿大学于1997年研制了一台以液氮为动力的气动原型汽车。另外，荷兰的国际汽车研究中心、韩国ENERGINE公司、英国伦敦威斯敏斯特大学（UniversityofWestminster）以及奥地利等些欧洲国家也进行了相关的研究。在国内，浙江大学流体传动及控制国家重点。此时发动机的进气压力为5.065MPa，这时储气罐内气体压力从30MPa下降到5.065MPa时可提供的高压气体质量为88.96kg（取环境温度为20丈），对应的3级定熵膨胀可输出的功为17.5M.绝热膨胀输出功4落压比的关系当落压比为3.7时，对应的膨胀比为：等温膨胀是效率*高的，如若用某种方式实现，则获得的做功能力将大大提高。如果膨胀比维持不变，这时按照等温膨胀过程方程，落压比为：按照等压比的压力分配原则，则第个汽缸的进气压力为：其中P4为第三级膨胀结束后的排气压力，这里认为就是大气压力。

　　这样储气罐内气体压力从30MPa下降到1.65MPa时可提供的高压气体质量为101.14kg（取环境温度为20），汽缸内全部气体等温膨胀过程的功是：实际过程既不可能是*好的等温过程，也不会是*差的等熵过程，按照多变指数为n=1.25的多变过程可能更接近于实际。仍按照三级膨胀，取相同的膨胀比，此时的落压比为：发动机的进气压力则变为3.34MPa，这时储气罐内气体压力从30MPa下降到3.34MPa时可提供的高压气体质量为95.11kg，对应的3级多变膨胀可输出的功为：1.2实际膨胀发动机内气体进行膨胀过程中不免有摩擦等损失，因此应适当考虑效率问题。如按照90%来计算，则30MPa、300L的压缩空气实际做功约18M.这些能量相当于5kW.h，也就是5kW的电机运行1小时的能量。

　　2制备压缩空气过程的热力学分析制备压缩空气时实际上是消耗电能驱动压缩机，经过多级压缩制成压缩气体。由于气体被压缩过程要发热，所以也要通过中间的换热过程冷却降温，提高系统的效率。

　　2.1理想过程压缩空气制备的过程是膨胀过程的逆过程。这个过程的热力学分析如下。

　　是三级压缩的一个p-V示意图，如果级足够多，空气压缩的理想过程耗功可以按照等温过程来计。

　　多级压示意图如果实现理想的等温压缩过程，则从大气中制取30MPa、300L的压缩空气所需要的能量为：2.2实际过程如果按照三级压缩，各级增压比按照*佳分配均为6.69，压缩过程按照绝热压缩计算时，从大气状态开始压缩获得如上压缩气体所消耗的功为：实际压缩过程按照多变指数n=1.25的多变过程计算时，压缩过程耗功为：2.3实际能效实际上，电机和机械的效率也需要考虑，若也按照90%来考虑，从大气中制取30MPa、300L的压缩空气所需要的能量为69.37M. 3综合分析3.1理想过程采用三级压缩和三级膨胀，按照理想循环的等温压缩和等温膨胀来计算，制备30MPa、300L的压缩空气需要的能量和这些压缩空气完全等温膨胀到大气压力所作的功相比，其利用率为：3.2实际循环和实际能效采用三级压缩和膨胀，如果按照多变过程完成压缩空气的制备和发动机上的膨胀过程，这时考虑了机械效率后，从大气中制取30MPa、300L的压缩空气，并将这些压缩空气作能源的携带介质而推动活塞作功，其综合效率为：3.3残气能量当按照多变膨胀过程作功，高压气罐内压力降到发动机进气压力3.34MPa时，罐内气体剩余可用*大压缩空气质量为：这些气体具有的可用能为：气瓶内*初气体的可用能为：由此可知，低于正常进气压力后气罐内残留气体的可用能占初始气体可用能的13%，也就是高压气瓶的有效能有当然，如果这些气体不再排掉，而是保留到再次充气，那么这些能量也就没有损失。在这种情况下，全周3.4能量损失由前面计算可知，总的可用能中有18M真正用来膨胀作功，占35%，残留气体占13%，其余52%的能量则由于降压损失以及摩擦损失等损耗掉了。若再考虑压缩空气制备过程中消耗的能量，以实际消耗能量69.37计算，则由前面的计算可知能量利用率为25.95%，罐内剩余气体仍可利用的能量为9.6%，损失能量为64.45%.若将电厂获得电力的效率考虑在内，则损失比例还会更大。

　　3.5气瓶中压缩气体能量利用*大化的设想为了尽量减小降压节流带来的可用能损失，可以考虑采用变膨胀比的方式对外作功。通过调整发动机的进气正时，随着进气压力的降低逐渐加大进气时间，保持每个膨胀过程膨胀到下死点时的压力怡好为大气压力。

　　储气罐内气体全部进入发动机后可作功经过计算为28.9M（计算过程略）。

　　考虑机械效率后，输出能量为26.01，此能量占气罐内全部气体可用能的50.67%，较前面的35%提高了15.67%，非常可观。若以制备压缩空气的能量消耗69.37为起点计算，则能量利用率为37.49%，也较前面的25.95%有很大提高。

　　对外输出功大幅度增加的根本原因是由于发动机进气压力始终保持与储气罐内压力相同，消除了由于基于虚拟仪器的摩托车前叉减震器的数学建模与仿真王笛张冰蔚（江苏科技大学机械与动力工程学院，江苏镇江212003）的实测数据比较，分析影响减振器特性的主要因素，比较仿真结果和实测结果，发现能较好的吻合，为减振器结构参数优化设计提供了依据。

　　测试系统的研究为了缓和与衰减摩托车在行驶过程中因道路的凹凸不平受到冲击和震动，保证行车的平顺性与舒适性，4结论本文仅考虑了从压缩空气制备到压缩空气膨胀的全过程能效，而没有考虑电力的生产耗能。得到如下结普通膨胀机的膨胀比不能变化，只能使进口压力稳定在一个低压力，经过简单寻优，发现按照绝热过程三级膨胀（中间换热），落压比为3.7、膨胀比为2.546时可以使绝热膨胀加上中间冷却做功*大。

　　如果按照在这种前提下的理想过程（压缩和膨胀），压缩空气携带能量驱动汽车的全周期效率是46%，而且不用石油，没有排气污染，是一个不错的选择；考虑到过程不是理想循环，而且有机械效率，利用压缩空气驱动汽车，在当前定膨胀比的普通膨胀发动机的情况下，能效只有26%，能效似乎还不能令人满意；提高摩托车的使用寿命和操纵的稳定性，摩托车上均设置有减震器装置。目前我国大部分的减震器生产厂家都采用类比制造的加工方法，对其基本的技术参数未能精确的确定，且大部分的技术革新都是在主要参数不变的前提下进行的，故对摩减的性能改变不大。下固定膨胀比导致了气瓶中有残余压力为3.34MPa、能量占到全部气瓶能量的13%的高压气体没有被利用。当然这些气体也可以被看作是“储能器”，下次充气就可以少充一些，这样，整个全周期的效率就成如果实现了膨胀比可变，膨胀机的进口压力将不受制约，理论上可以使进口压力在任何时候都等于气瓶压力，这样就将气瓶压缩空气能量的利用*大化，实际能量利用率可以达到37%.