空氣動力汽車路有多遠？

王軍

電視短片中曾展示的空氣動力汽車讓人們極為向往，但這種既不用燒油又不用電的車，為什么卻在路上很少見到呢？發(fā)動機的含義是把其他方式的能量尤其是熱能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)動能，以驅(qū)動車輛。最早由瓦特發(fā)明的蒸汽機是利用燃燒煤產(chǎn)生熱量加熱水，利用水蒸氣的壓力推動氣缸中活塞往復(fù)運動，進而實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動。汽車的發(fā)動機統(tǒng)稱為內(nèi)燃機，是把汽油或者柴油與空氣進行混合，然后在活塞頂部的燃燒室內(nèi)進行燃燒，熱量使燃燒室內(nèi)部氣壓增加，推動活塞運動，通過曲柄連桿機構(gòu)轉(zhuǎn)換成為旋轉(zhuǎn)動能。

目前界定汽車的元年是1886年本茨第一次把內(nèi)燃機應(yīng)用在三輪車輛上，并驅(qū)動了這輛車行走，從此內(nèi)燃機發(fā)動機技術(shù)發(fā)展起來。其實人們利用空氣壓力實現(xiàn)車輛行駛的想法要早于汽車的元年，甚至發(fā)動機的原理都是來自于氣體壓力，從最早蒸汽機時代到目前的發(fā)動機時代，一直在研究空氣動力。隨著發(fā)動機技術(shù)的快速發(fā)展，空氣動力技術(shù)也被提了出來。

空氣動力汽車的優(yōu)點主要體現(xiàn)在4個方面：一是利用壓縮空氣做功，沒有燃燒，不會污染環(huán)境。二是對壓縮氣體沒有要求，任何氣體都可以作為動力。三是氣體來源廣泛，可以利用工業(yè)制氣的廢氣，相對價格低廉。四是由于采用與汽車結(jié)構(gòu)一致的動力傳動系統(tǒng)，內(nèi)燃機車輛改動不大即可使用空氣動力。

既然空氣動力有這么多的優(yōu)點，為什么當(dāng)初車輛會放棄壓縮空氣帶來的動力呢？這個問題的產(chǎn)生主要是人們?nèi)绾味x車輛造成的。車輛包括蒸汽機車都是在不斷提高車速和續(xù)駛里程方面發(fā)展，在汽車上，人們還要求乘坐舒適和駕駛樂趣，又提出了更高的要求，而每一項要求從能量角度來說都是增加了能量需求，但是壓縮空氣所能釋放的能量是非常有限的。

一是汽車有大功率和大能量雙重需求。人們駕駛車輛，加速過程是在短時間內(nèi)需求大量能量，而高速行駛又需要長時間穩(wěn)定地輸出能量，因此汽車在使用中對能量的需求既有大功率的特性，又有大能量的特性。這說明即使有很大的能量，但是短時間內(nèi)不能釋放出充足的能量保證汽車的加速性能，或者短時間內(nèi)全部釋放出來的能量不能保證汽車的續(xù)駛里程性能，都不能作為汽車的動力能源。二是能量儲存多少決定汽車行駛里程。一般來說，把能量與重量的比值稱為比能量，比能量越高，說明汽車在同等的能量需求上攜帶的重量最少。還有能量與體積的比值稱之為能量密度，能量密度越高，在汽車上所占的體積最小。這兩者都是約束汽車能源需求的因素。根據(jù)熱力學(xué)定律，氣體壓縮過程中會產(chǎn)生大量的熱，快速壓縮空氣可點燃火柴，而氣體在膨脹過程中需要吸收大量的熱，因此壓縮空氣儲罐中容器的壓縮空氣所包含的能量，與氣體釋放時的膨脹方式有關(guān)。實際應(yīng)用中會發(fā)生由于氣體在一個空間快速膨脹，導(dǎo)致這個區(qū)域溫度驟降，甚至可能會結(jié)冰，致使熱傳導(dǎo)不利，出現(xiàn)動力不足的現(xiàn)象。因此壓縮空氣動力需要在工作區(qū)加熱裝置以避免上述情況出現(xiàn)，但是在北方冬季溫度在零攝氏度以下的情況下，壓縮空氣動力會減少很多能量。三是發(fā)動機的排氣存在一定壓力。壓縮空氣發(fā)動機的效率取決于進氣壓力與排氣壓力的差值，而排氣壓力大的時候需要進行消音處理。消音器也是需要消耗比較大的能量，如果沒有消音器，路上的噪聲就有如F1賽場一樣發(fā)動機的轟鳴聲。四是壓縮空氣的儲存罐對壓縮空氣的使用也是一種制約。目前在汽車上使用的CNG（壓縮天然氣）燃料系統(tǒng)，其儲存罐的壓力一般為20MPa，如果增加壓縮空氣的能量，就必須壓力增大到45MPa，對儲存罐的技術(shù)來說也是技術(shù)難點。

綜上所述，空氣動力的能源在汽車的使用上還有較多難點，尤其在保證汽車行駛的安全性上，解決能量儲存問題還需要更多的實驗驗證工作以及在不同氣候地區(qū)及不同海拔地區(qū)的試驗。