压缩空气动力汽车的可行性分析

　　随着社会的发展，汽车已经从奢侈品变成代步工具，现在全球汽车保有量已经达到8亿辆。而与此对应的是：即使*乐观的估计，全球的石油储存也只能维持四、五十年；因环境破坏引起的自然事故频频发生。

　　这使得人类不得不面对两大难题石油资源的曰益枯竭和环境污染的曰益严重。于是，人们的目光都聚焦到“绿色汽车”上，节能环保成了现代汽车设计的基本要求。1991年，法国F1方程式赛车工程师GuyNgre获得了压缩空气发动机的专利，并于1998年制造出世界上**款在技术上和价格上都可行的“零污染”汽车。

　　1压缩空气动力汽车的工作原理使用高压空气作为动力源，空气作为介质，在汽车运行时通过动力装置把压缩空气储存的压能转化为汽车的动能。以液态空气或液氮吸热膨胀做功为动力的汽车也属于此范畴。空气动力汽车的原理与传统汽车基本相同，主要差别在于汽车的动力来源不同，其发动机的结构形式有往复活塞式和气动马达等类型，但目前国内外主要只能见到往复活塞式的报道，这种发动机的总体结构形式可以借鉴传统往复活塞式发动机。

　　压缩空气动力系统的工作原理图见，储存在气罐中高压压缩空气经过压力调节器减至工作压力，通过师，享受国劳院政府特殊津贴，江苏省汽车工程重点实验室主任，首批江苏省普通高校跨世纪学术带头人。主要科研方向为汽车综合节能与净化技术。获得部省级科技进步奖7项。热交换器吸热升温后，由配气系统控制进入做功机进行能量转换，把压能转换成机械能。通过改变进入空气动力发动机的气体压力值，可以控制发动机的动力特性。

　　2压缩空气动力汽车可行性分析2.1压缩空气动力汽车的能量分析压缩空气动力汽车的行驶里程主要由高压气罐储存的能量决定，由于汽车空间有限，所以必须选择一个合适的储气压力。假定高压气罐的储气压力是pl，膨胀终了的压力值为大气压力p，给出了由高压到低压的膨胀过程，图中曲线1为等温膨胀过程，曲线2为绝热膨胀过程。

　　压缩空气动力发动机按理想的等温膨胀过程做功并膨胀至环境压力时，膨胀过程中系统为闭口系热力学能是温度的单值函数，故等温过程中U=0.境热力学状态参数；v，v-膨胀前后的比体积；Rg-气体常数。

　　绝热膨胀当压缩空气动力发动机按绝热膨胀1过程做功并膨胀至环境压力时：式（2）可以看出，压缩空气动力发动机的做功能力受到膨胀初始温度的影响。压缩空气动力发动机在夏季（膨胀初始温度为环境温度300K）和冬季（膨胀初始温度为环境温度273K）分别按绝热和等温方式膨胀至大气压力时可用能的对比，可以看出气动发动机夏季的做功能力比冬季高10%左右，而且等温膨胀过程的做功能力远远高于绝热膨胀。所以这种发动机工作在环境温度较高的地区效果较好，可以使用辅助加热系统，或者与内燃机联合使用，利用排气的热量来加热工作介质，提高膨胀气体的初始温度并使工作循环尽量接近等温过程，从而提高其性能。

　　随着膨胀初始压力的增加，压缩空气的比能量的呈增加的趋势，但是增加的幅度逐步减小。考虑到能量利用，当前储气罐材料的限制和高压空气储存的安全性，现在通常采用30MPa的压力储存压缩空气。

　　2.2续驶里程的分析压缩空气等温膨胀至环境压力，忽略节流、漏气等能量损失时空气动力发动机所做功为：假设该空气动力发动机牵引的微型轿车以匀速在水平路面上行驶，该车参数如下：车迎风面积：A=1.95m2，风阻系数：Cd=0.3，滚动摩擦系数：f=0.018，机械传动效率：n=.9.由汽车功率平衡方程：随着车速的上升汽车的行驶里程下降很快。汽车以100kn/h速度行驶时的里程数比以50kn/h速度行驶时下降近一半，当汽车运行在高速时行驶较短里程就会很快消耗掉压缩空气。可见该车适合以较低车速运行，当汽：车以50kn/h速度运行时可以行驶近200kn.在现在复杂的城市交通环境中，汽车的行驶速度通常低于50kn/h，而且200kn的行驶里程也可以满足都市行驶的要求，故该车芫全有能力作为城市用车使用。

　　汽车在水平匀速行驶时主要消耗的功率是滚动阻力功率Pf=Gfoa/3600和空气阻力功率Pw=CDAu，3/76410.可见汽车的行驶里程与汽车的质量和风阻系数密切相关。显示的是等温膨胀时Cd= 0.3的压缩空气动力汽车匀速行驶里程随汽车总质量变化的关系。

　　可以看出随着汽车总质量的增加，行驶里程以较大的幅度下降，总质量2000kg时压缩空气动力汽车的行驶里程仅约为1000kg时的一半，所以降低其质量是提高压其行驶里程的重要手段，而这对于本来续行里程就较短的压缩空气动力汽车尤为重要。空气阻力系数对行驶里程也有一定影响，但大幅度降低空气阻力系数很有难度，而它对行驶里程的增加却很有限。

　　23环保与能源消耗空气动力汽车排出的废气是接近大气压力的清洁空气，是芫全无污染的，而且它所消耗的压缩空气可以使用电力压缩空气得到的，而电力是一种可再生能源，它可以由多种清洁的方法得到。现在全球电力资源非常丰富，而石油储量却曰益减少，据估计只能使用几十年，而且交通工具燃烧大量不可再生能源造成能源危机并产生大量污染。空气动力汽车的使用不仅与世界能源结构的调整相符合而且减轻了环境的污染。

　　24经济性在理论上，等温压缩空气的过程耗能*少，绝热压缩过程耗能*多。为了节省能量，压缩空气的过程应该尽可能接近等温过程，这可以通过带中冷的多级压缩来实现。对于多级压缩过程，在各级增压比相等时压缩机能耗*低。压缩机总的功耗量可以通过单级压缩计算得出的功耗量再乘以相应的级数得到P8.压缩机不同工作状态压缩气体的能耗如下：p2―空气压缩机的进、排气气体压力；Rg―气体常数，压缩气体的初始温度；k一绝热系数；z―多级压缩的级数。上述压缩空气动力汽车，300L压力30MPa的压缩空气可以使空气动力汽车以50km/h的速度行驶190km.采用六级压缩来制造这么多压缩空气所消耗的能量为5.6446X10. 2.5结构布置与汽车质量压缩空气动力汽车的原理与传统汽车基本相同，都是通过机械传动系传递动力驱动车轮，主要差别在于压缩空气动力发动机代替传统的内燃机提供动力，而且压缩空气动力发动机就安装在传统汽车发动机安装的位置。与传统发动机相比，压缩空气动力发动机工作时无燃烧过程，对发动机材料的要求较低，其结构简单、尺寸小、质量轻。压缩空气动力汽车布置上*大的问题是安排300L压缩空气的位置，这可以利用通常安置油箱的位置，可以在汽车车身和底盘设计时把多个细长的储气罐嵌在车厢地板下与底盘之间或底盘中，由于压缩空气动力发动机的体积较小，也可以利用发动机腾出的空间。这样可以留较大的车厢和行李箱空间给乘客使用。

　　300L压力30MPa压缩空气的总质量为104.5kg，而同级别汽车油箱装满燃料后的重量通常为40kg40kg，由于压缩空气动力发动机结构简单而且比内燃机少了些设备、尺寸小，质量减轻很多。综合储气罐质量和其他一些因素，压缩空气动力汽车总质量与同级别内燃机汽车质量基本接近。

　　2.6高压气体储存的安全性高压气体使用超高压碳纤维储气罐来存储，这种储气罐为复合型气罐，采用了薄壁铝合金内胆，外壁缠绕高强度碳纤维的结构，具有重量轻，耐高压，安全耐用的特点，使用压力达50MPa以上，即使在装有高压气体破裂的时候也不会发生爆炸，只会产生类似轮胎的漏气现象。它非常适宜作为车载压缩空气储气罐使用，它的缺点是现阶段的造价还较高。

　　3结论压缩空气动力汽车作为一种新型的“零污染”汽车在理论上是可行的，它的行驶里程较短、高速耗气快和零污染等特点决定它更适宜作为城市用车和景区旅游用车。

　　能量利用率的提高是压缩空气动力汽车性能提高的重要指标，所以应充分利用压缩空气的潜能，让膨胀终了的压力尽量接近大气压力，使用辅助加热系统或者与内燃机联合使用利用排气的热量来加热工作介质，提高膨胀气体的初始温度，并使工作循环尽量接近等温：过程，从而提高其性能。

　　以较低的速度运行、降低汽车的总质量、减小空气阻力系数Cd值等对增加压缩空气动力汽车的行驶里程有着重要的作用。

　　根据对空气动力汽车续驶里程、环境保护、能源消耗、经济性、安全性、结构布置的可行性等因素的分析，表明空气动力汽车在技术上是芫全可行的。

　　压缩空气动力汽车作为一种符合当前社会需要的新型节能环保汽车，具有其它汽车所不具备的优势，它的出现必将为汽车技术的发展注入新的活力，相信压缩空气动力汽车在不久的将来会得到应用与推广。