壓縮空氣動力汽車的可行性分析

　　隨著社會的發(fā)展，汽車已經(jīng)從奢侈品變成代步工具，現(xiàn)在全球汽車保有量已經(jīng)達到8億輛。而與此對應(yīng)的是：即使最樂觀的估計，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”上，節(jié)能環(huán)保成了現(xiàn)代汽車設(shè)計的基本要求。1991年，法國F1方程式賽車工程師GuyNgre獲得了壓縮空氣發(fā)動機的專利，并于1998年制造出世界上第一款在技術(shù)上和價格上都可行的“零污染”汽車。
　　1壓縮空氣(Basin air)動力(dòng lì)汽車的工作原理(yuán lǐ)使用高壓空氣作為動力源，空氣作為介質(zhì)，在汽車運行時通過動力裝置把壓縮空氣儲存的壓能轉(zhuǎn)化為汽車的動能以液態(tài)空氣或液氮吸熱膨脹做功為動力的汽車也屬于此范疇?？諝鈩恿ζ嚨脑砼c傳統(tǒng)(Tradition)汽車基本相同，主要差別在于汽車的動力來源不同，其發(fā)動機的結(jié)構(gòu)形式有往復(fù)活塞(piston)式和氣動馬達等類型，但目前國內(nèi)外主要只能見到往復(fù)活塞式的報道，這種發(fā)動機的總體結(jié)構(gòu)形式可以借鑒傳統(tǒng)往復(fù)活塞式發(fā)動機。
　　壓縮空氣動力系統(tǒng)的工作原理圖見，儲存在氣罐中高壓壓縮空氣經(jīng)過壓力調(diào)節(jié)器減至工作壓力，通過(tōng guò)師，享受國勞院政府特殊津貼，江蘇省汽車工程重點實驗室主任，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綜合節(jié)能(Energy saving)與凈化技術(shù)。獲得部省級科技進步獎7項。熱交換器吸熱升溫(Warming)后，由配氣系統(tǒng)控制（control)進入做功機進行能量轉(zhuǎn)換，把壓能轉(zhuǎn)換成機械能。通過改變進入空氣動力發(fā)動機的氣體壓力值，可以控制發(fā)動機的動力特性。
　　2壓縮(compression)空氣(Basin air)動力汽車可行性分析(Analyse)2.1壓縮空氣動力汽車的能量分析壓縮空氣動力汽車的行駛里程主要由高壓氣(Pressure)罐儲存的能量決定，由于汽車空間有限，所以必須選擇一個合適的儲氣壓力。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)的膨脹過程，圖中曲線（Curve）1為等溫膨脹過程，曲線2為絕熱膨脹過程。
　　壓縮空氣動力發(fā)動機按理想的等溫膨脹過程做功并膨脹至環(huán)境壓力時，膨脹過程中系統(tǒng)(system)為閉口系熱力學(xué)能是溫度的單值函數(shù)，故等溫過程中U=0.境熱力學(xué)狀態(tài)(status)參數(shù)；v，v-膨脹前后的比體積（volume)；Rg-氣體常數(shù)。
　　絕熱膨脹當(dāng)壓縮空氣動力發(fā)動機按絕熱膨脹1過程做功并膨脹至環(huán)境壓力時：式（2）可以看出，壓縮空氣動力發(fā)動機的做功能力受到膨脹初始溫度的影響(influence)。壓縮空氣動力發(fā)動機在夏季（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可用能的對比，可以看出氣動發(fā)動機夏季的做功能力比冬季高10%左右，而且等溫膨脹過程的做功能力遠遠高于絕熱膨脹。所以這種發(fā)動機工作在環(huán)境溫度較高的地區(qū)效果較好，可以使用輔助加熱系統(tǒng)(system)，或者與內(nèi)燃機聯(lián)合使用，利用排氣(Exhaust)的熱量來加熱工作介質(zhì)，提高膨脹氣體的初始溫度并使工作循環(huán)盡量接近等溫過程，從而提高其性能。
　　隨著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(dāng)前儲氣罐材料的限制和高壓空氣儲存的安全性，現(xiàn)在通常采用30MPa的壓力儲存壓縮空氣。
　　2.2續(xù)駛里程的分析壓縮空氣等溫膨脹至環(huán)境壓力，忽略節(jié)流、漏氣等能量損失時空氣動力發(fā)動機所做功為：假設(shè)該空氣動力發(fā)動機牽引的微型轎車以勻速在水平路面上行駛，該車參數(shù)如下：車迎風(fēng)面積：A=1.95m2，風(fēng)阻系數(shù)：Cd=0.3，滾動摩擦系數(shù)：f=0.018，機械傳動效率：n=.9.由汽車功率平衡方程：隨著車速的上升汽車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(zhuǎn)1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，檢查壓縮機所有部件，排除壓縮機所有故障。汽車以100kn/h速度(speed)行駛時的里程數(shù)比以50kn/h速度行駛時下降近一半，當(dāng)汽車運行在高速時行駛較短里程就會很快消耗（consume)掉壓縮空氣?？梢娫撥囘m合以較低車速運行，當(dāng)汽：車以50kn/h速度運行時可以行駛近200kn.在現(xiàn)在復(fù)雜的城市(city)交通環(huán)境中，汽車的行駛速度通常低于50kn/h，而且200kn的行駛里程也可以滿足都市行駛的要求，故該車芫全有能力作為城市用車使用。
　　汽車在水平(Level)勻速行駛時主要消耗的功率是滾動阻力功率Pf=Gfoa/3600和空氣(Basin air)阻力功率Pw=CDAu，3/76410.可見汽車的行駛里程與汽車的質(zhì)量和風(fēng)阻系數(shù)密切相關(guān)。顯示的是等溫膨脹時Cd= 0.3的壓縮空氣動力汽車勻速行駛里程隨汽車總質(zhì)量變化的關(guān)系。
　　可以看出隨著汽車總質(zhì)量的增加，行駛里程以較大的幅度下降，總質(zhì)量2000kg時壓縮(compression)空氣動力汽車的行駛里程僅約為1000kg時的一半，所以降低其質(zhì)量是提高壓其行駛里程的重要手段，而這對于本來續(xù)行里程就較短的壓縮空氣動力汽車尤為重要?？諝庾枇?resistance)系數(shù)對行駛里程也有一定影響，但大幅度降低空氣阻力系數(shù)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力汽車排出的廢氣是接近大氣壓力的清潔空氣，是芫全無感染的，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(shè)計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 現(xiàn)在全球(global)電力資源非常豐富，而石油儲量卻曰益減少，據(jù)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。空氣動力汽車的使用不僅與世界能源結(jié)構(gòu)的調(diào)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，等溫壓縮空氣的過程耗能最少，絕熱壓縮過程耗能最多。為了節(jié)省能量，壓縮空氣的過程應(yīng)該盡可能接近等溫過程，這可以通過帶中冷的多級壓縮來實現(xiàn)。對于多級壓縮過程，在各級增壓比相等時壓縮機能耗最低。壓縮機總的功耗量可以通過單級壓縮計算得出的功耗量再乘以相應(yīng)的級數(shù)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、排氣氣體壓力；Rg―氣體常數(shù)，壓縮氣體的初始溫度；k一絕熱系數(shù)；z―多級壓縮的級數(shù)。上述壓縮空氣動力(dòng lì)汽車，300L壓力30MPa的壓縮空氣可以使空氣動力汽車以50km/h的速度行駛190km.采用六級壓縮來制造這么多壓縮空氣所消耗的能量為5.6446X
　　10. 2.5結(jié)構(gòu)布置與汽車質(zhì)量壓縮空氣動力汽車的原理與傳統(tǒng)汽車基本相同，都是通過機械(machinery)傳動系傳遞動力驅(qū)動車輪，主要差別在于壓縮空氣動力發(fā)動機代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)燃機提供動力，而且壓縮空氣動力發(fā)動機就安裝在傳統(tǒng)汽車發(fā)動機安裝的位置。與傳統(tǒng)發(fā)動機相比，壓縮空氣動力發(fā)動機工作時無燃燒過程，對發(fā)動機材料的要求較低，其結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、質(zhì)量輕。壓縮空氣動力汽車布置上最大的問題是安排300L壓縮空氣的位置，這可以利用通常安置油箱的位置，可以在汽車車身和底盤設(shè)計時把多個細長的儲氣罐嵌在車廂地板下與底盤之間或底盤中，由于壓縮空氣動力發(fā)動機的體積較小，也可以利用發(fā)動機騰出的空間。這樣可以留較大的車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，而同級別汽車油箱裝滿燃料后的重量通常為40kg40kg，由于壓縮空氣動力發(fā)動機（Engine）結(jié)構(gòu)簡單而且比內(nèi)燃機少了些設(shè)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，壓縮空氣動力汽車總質(zhì)量與同級別內(nèi)燃機汽車質(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存儲，這種儲氣罐為復(fù)合型氣罐，采用了薄壁鋁合金(alloy)(熔點660℃)內(nèi)膽，外壁纏繞高強度碳纖維的結(jié)構(gòu)，具有重量輕，耐高壓，安全耐用的特點，使用壓力達50MPa以上，即使在裝有高壓氣體破裂的時候也不會發(fā)生爆炸，只會產(chǎn)生類似輪胎的漏氣現(xiàn)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(shè)計不合理造成的。并非所有機頭都按這個時間進行，如果保養(yǎng)好的可以延后，保養(yǎng)差的則需要提前。 它非常適宜作為車載壓縮空氣儲氣罐使用，它的缺點是現(xiàn)階段的造價還較高。
　　3結(jié)論壓縮(compression)空氣動力汽車作為一種新型的“零污染”汽車在理論上是可行的，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和景區(qū)旅游用車。
　　能量利用率的提高是壓縮空氣動力汽車性能提高的重要指標(biāo)，所以應(yīng)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(tǒng)或者與內(nèi)燃機聯(lián)合使用利用排氣的熱量(Heat)來加熱工作(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(zhuǎn)1000個小時或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時間間隔要縮短。濾清器維修時必須停機，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(shè)備?？諝鈮嚎s機與水泵構(gòu)造類似。大多數(shù)空氣壓縮機是往復(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)葉片或旋轉(zhuǎn)螺桿。離心式壓縮機是非常大的應(yīng)用程序。
　　以較低的速度運行、降低汽車的總質(zhì)量、減小空氣阻力系數(shù)Cd值等對增加壓縮空氣動力汽車的行駛里程有著重要的作用
　　根據(jù)對空氣(Basin air)動力汽車續(xù)駛里程、環(huán)境保護、能源消耗、經(jīng)濟性、安全性、結(jié)構(gòu)布置的可行性等因素(factor)的分析，表明空氣動力汽車在技術(shù)上是芫全可行的。
　　壓縮空氣(Basin air)動力(dòng lì)汽車作為一種符合當(dāng)前社會需要的新型節(jié)能環(huán)保汽車，具有其它汽車所不具備的優(yōu)勢，它的出現(xiàn)必將為汽車技術(shù)的發(fā)展注入新的活力，相信壓縮空氣動力汽車在不久的將來會得到應(yīng)用與推廣。