壓縮空氣動力汽車的研究現狀與節能環保分析

李國豪　張　宇　王　麟　屈　斌　張　寧

(1國網天津市電力公司電力科學研究院天津3003842國網天津市電力公司調度控制中心天津300010)

壓縮空氣動力汽車的研究現狀與節能環保分析

李國豪1張宇1王麟2屈斌1張寧1

(1國網天津市電力公司電力科學研究院天津3003842國網天津市電力公司調度控制中心天津300010)

壓縮空氣動力汽車是能真正實現“零排放”的新能源汽車，本文簡要介紹了壓縮空氣動力汽車的基本原理與國內外研究現狀，并對壓縮空氣動力汽車與傳統能源、其他新能源汽車的節能環保性能方面的優勢與不足進行了分析對比。

壓縮空氣動力汽車；新能源；節能環保

1　引言

截至2015年6月，我國汽車保有量突破2.7億輛，在全國開展空氣質量新標準監測的城市中不達標率為90%，發展新能源汽車技術是解決能源危機與環境污染問題的重要舉措。壓縮空氣動力汽車擁有較好的性能與“零排放”的優勢，發展前景廣闊。

2　壓縮空氣動力汽車

2.1壓縮空氣動力發動機

壓縮空氣動力發動機是將壓縮空氣的壓力勢能轉換為旋轉機械能的裝置。壓縮空氣動力發動機的結構有往復活塞式、旋轉活塞式和氣馬達型等多種結構形式，目前往復活塞式結構的應用較多[1]。

介紹一個結構較為簡單的往復活塞式二沖程壓縮空氣動力發動機的工作過程，結構簡圖如圖1所示。當活塞位于上止點時，進氣口打開使高壓空氣進入氣缸膨脹做功，直到活塞下行至下止點，排氣口打開同時活塞上行排氣，活塞到達上止點排氣口關閉，完成一個工作循環。

圖1　往復活塞式二沖程壓縮空氣動力發動機結構簡圖

2.2壓縮空氣動力汽車動力系統

壓縮空氣動力汽車的動力系統的工作原理如圖2所示，儲存在氣罐的中高壓壓縮空氣經過壓力調節器減至工作壓力,通過熱交換器吸熱升溫后,由配氣系統控制進入做功機進行能量轉換,把壓能轉換成機械能。通過改變進入空氣動力發動機的氣體壓力值,可以控制發動機的動力特性[2]。

圖2　壓縮空氣動力汽車的動力系統

2.3壓縮空氣動力汽車能量分析

壓縮空氣動力汽車通過調節壓力或流量來調整輸出功率，傳動系的機械損失較傳統發動機有較大減少，但是排氣過程中殘余氣體中的壓力勢能是影響整車效率的決定性因素，采用壓力分級控制和串聯動力分配的方法可以減少殘余廢氣中的能量。另外通過節流減壓方法將高壓氣體減壓為做功介質時有一定損失，可以通過容積減壓法來轉移部分減壓損失[3]。通過理論計算，壓縮空氣動力汽車行駛150km，壓縮空氣的使用效率可達68%[1]。

3　壓縮空氣動力汽車的研究現狀

3.1國外研究現狀

世界上第一輛壓縮空氣動力汽車是由法國設計師Guy·Nègre領導團隊成功設計出來的，1991年Guy°Nègre獲得了壓縮空氣動力汽車的專利并創建MDI公司[4]。MDI公司目前設計的氣動汽車發動機采用了兩級膨脹方式，即氣罐的高壓氣體先進入第一個小缸中按多變過程膨脹推動活塞做功，然后進入第二個較大氣缸繼續膨脹推動活塞做功，因此提高了氣動汽車的整體效率[5]。

圖3　AirPod空氣動力汽車及壓縮空氣發動機

緊隨其后的是印度的一家汽車制造商Tata motors，該車廠推出了一款名為Airpod壓縮空氣動力汽車，其特殊引擎由Motor Devel°opmentInternational開發，它的整車及發動機車如圖3。車上附設有175 L的氣罐，所用的空氣可以借助外泵或者行車時由電動馬達完成充氣。Tata motors車廠表示，目前“空氣小車”已進入原型測試第二階段，未來將有四門轎車、敞篷、卡車與公交車車款[6]。

2014年初法國汽車巨頭標致雪鐵龍公司的穆卡德姆和搭檔安德雷·亞爾斯兩位工程師將汽油發動機與液壓系統這兩種成熟可靠的技術組合，設計開發了“空氣混合動力系統”，這種系統有望在2016年應用到所有標致雪鐵龍的微車產品中[7]。若此車型正式上市，有望使壓縮空氣動力汽車真正進入人們視野。

除以上兩個國家以外，美國、韓國、墨西哥、英國和澳大利亞等國也在加快壓縮空氣動力汽車的研發及商業化進程。在澳大利亞的各大物流中心、馬路，乃至老人車，都在使用壓縮空氣動力發動機作為動力源。墨西哥城也曾出資購置了4萬輛氣動出租車。

3.2國內研究現狀

相比國外，我國國內壓縮空氣動力汽車的研究水平較為落后，多數技術還處于理論研究階段。以浙江大學氣動汽車和合肥工業大學為代表的高校著力進行壓縮空氣動力發動機工作過程數值仿真、臺架性能實驗及進氣相位等方面的研究工作[8]。一些致力于新能源汽車開發的公司與實驗室也在做該方面的研發工作。

以合肥工業大學開展的對氣動發動機的研究工作為例。在第一階段，將R175柴油機成功改裝成二沖程氣動發動機，保留了原有的凸輪配氣方式，但是在高速工況時，因配氣相位不可變，導致

進氣量不足，發動機輸出功率也隨之下降；在第二階段，對該氣動發動機進行了完善，改裝成四沖程發動機，采用高速電磁閥控制進、排氣，從而實現可改變進氣時刻的電控噴射，但由于電磁閥進氣截面積小，缸內最高壓力只有幾個大氣壓，導致輸出功率不足[9]。值得一提的是在2014年初的北京科博會上，祥天科立泰空氣動力機械有限公司展示了一個利用壓縮空氣驅動的公交車。這款新能源汽車續航里程在200km左右，最高時速可達140km/h，

而行駛成本大約為每100km1元錢。

4　壓縮空氣動力汽車的節能環保分析

4.1與內燃機車對比

目前市場占有率較大的汽車種類仍然是裝載有內燃機的汽車，其中燃燒介質以汽油柴油等化石燃料居多。雖然隨著電控等先進技術的廣泛使用使內燃機的效率顯著提升，但是汽柴油機效率大約只有35%～40%。反觀壓縮空氣動力汽車，整車效率較高，且具有較大的進步空間。傳統內燃機“化學能-熱能-機械能”的能量轉換較為復雜，能量損失勢必要比壓縮空氣動力發動機“壓縮空氣壓力勢能-機械能”的能量轉換大，可見在不考慮壓縮空氣制取的前提下，壓縮空氣動力汽車的節能性能是優于傳統內燃機車的。

內燃機車的大量使用加劇了世界環境污染,在城市大氣中有82%的一氧化碳、48%的氮氧化物、58%的碳氫和8%的可吸入顆粒來自于汽車尾氣,此外汽車噪聲造成了城市環境噪聲污染。壓縮空氣動力汽車排出的尾氣為常溫空氣，整車不存在環境污染問題，尾氣溫度低，成分簡單，降低了排氣降噪方面的設計難度，噪聲污染也極小。

總體來說在不考慮壓縮空氣制取的前提下，壓縮空氣動力汽車在節能環保性能方面優于內燃機車，具有較為廣闊的前景，傳統內燃機車是注定要在幾十年內退出歷史舞臺的，新能源汽車將會是汽車行業的希望。

4.2與電池驅動電動汽車對比

受國家政策及技術水平影響，目前發展較為迅速最廣為人知的新能源汽車類型為電池驅動電動汽車，它是由蓄電池存儲的電能驅動電動機而獲取動力的。這種汽車在行駛過程中沒有內燃機的燃燒過程、零排放，噪聲低，能量轉化效率高，可以有效減少對石油資源的依賴[10]。從整車效率來看，電池驅動電動汽車效率目前是高于壓縮空氣動力汽車的，但由于受車用電池的制約,其續航能力較差,汽車的啟動特性也不夠理想,而且電池充電時間長、壽命短、造價貴,雖然壓縮空氣動力汽車也有類似的缺點，但是壓縮空氣動力汽車的充氣過程明顯快于蓄電池的充電，生活效率在當前的快節奏城市是十分重要的，提供便捷的充能技術也是解決續航里程的一種重要方式。

兩種汽車都是真正的“零排放”汽車，但是對于環境保護而言不能只看到“尾氣”，也要看到汽車本身的潛在污染。蓄電池的造價高、存儲電量低、充電時間長，部分種類電池還存在爆炸危險，目前使用較多的蓄電池有鉛酸電池、鋰電池等，電池含有的部分材料會對土壤、水源造成極大的污染，是極為不環保的。壓縮空氣動力汽車的氣罐采用合金鋼、碳纖維等材料具有無污染可重復利用的特性，以及良好的環保性能，低廉的造價。綜上所述壓縮空氣動力汽車的環保性能明顯優于電池驅動電動車。

4.3與其他新能源汽車對比

內燃機引發的環境問題使液化石油氣、天然氣、醇類等代用燃料汽車的使用受到了關注，代用燃料汽車通過對原有內燃機車做些許改裝即可實現功能，其尾氣排放要優于傳統內燃機，但是大部分代用燃料汽車在動力性、經濟性上不及內燃機車[11]，環保性更是無法同壓縮空氣動力汽車相比。

混合動力汽車是配置兩種甚至多種動力源的汽車，目前較為多見的是油電混合動力汽車，其動力系統較為復雜，需要同時配備內燃機及電動汽車的組件，整車造價高昂、車體自重較大，一般認為它是電動汽車技術尚不完善時期的過度車型[12]。復雜的動力系統會影響其機械效率，內燃機與電池的同時使用從某方面來說反而加重了污染。相比而言油電混合反而不如油氣混合即將電動部分更換為壓縮空氣動力，壓縮空氣動力發動機可以通過對傳統內燃機的改造實現，兩種動力可以用同一套機械系統，更為節能環保。

燃料電池汽車是電動汽車的另一種類，與電池驅動電動汽車不同的是電池儲能原理，通過將燃料與氧化劑加入燃料電池內部進行發電。其造價成本太高，需要其他方式儲存燃料及氧化劑，實際效率達不到理論效率等問題嚴重制約其發展[13]。

5　結語

世界各國對壓縮空氣動力汽車的研究有了飛速發展，雖然存在一些技術難題制約其發展，但是由于節能環保特性較好的特點發展前景十分廣闊，通過對傳統內燃機進行改造實現動力源的轉換，節約了資源的同時還保護了環境。備受爭議的壓縮空氣源問題除運動電能制取外還可以通過風能等進行制取，通過優化的加氣站的普通充氣速度（除更換儲氣罐外）可以接近傳統內燃機車加滿油箱速度[14]。壓縮空氣動力汽車的節能性能優于大部分種類汽車，環保性能優于所有種類汽車，符合我國可持續發展的國家戰略，隨著環境問題的日益嚴峻與科學技術水平的提高，壓縮空氣動力汽車將得到更為廣泛的應用。

[1]許宏.壓縮空氣動力汽車[J].汽車技術,2002,07:5-7.

[2]何仁,吳海嘯.壓縮空氣動力汽車的可行性分析[J].機電產品開發與創新,2006,06:31-33.

[3]左承基,錢葉劍,歐陽明高,楊福源.氣動發動機能量轉移系統分析[J].中國機械工程,2007,07:870-873.

[4]Knowlen C,et al.Quasi-isothermal expansion engines for liquidnitrogen automotive propulsion[J].SAE Paper,No.972649,1997.

[5]Williams J，Knowlen C，Mattick A T et al.Expansion Engine for Liquid Nitrogen Automotive Propulsion.SAE 972649,1997.

[6]新型“氣”車助力綠色環保[J].汽車零部件,2012（10）:37-38.

[7]湯高攀,嚴世榕,高宏力.氣動汽車的研究現狀與前景預測[J].機電技術,2014,01:149-152.

[8]安達,談建,左承基.壓縮空氣發動機的設計及初步試驗[J].合肥工業大學學報(自然科學版),2005,06:612-615.

[9]左承基,王斌,傅秋陽,歐陽明高,楊福源.配氣系統參數對壓縮空氣發動機性能的影響[J].機械工程學報,2008,04:211-216.

[10]雷驚雷,等.電動車、電動車用電源及其發展戰略,電源技術. 2001,25(l):40-46.

[11]劉元鵬.代用燃料汽車的研究與發展.汽車研究與開發,2000(4): 15-19.

[12]舒紅,秦大同,胡建軍.混合動力汽車控制策略研究現狀及發展趨勢[J].重慶大學學報:自然科學版,2001,06:28-31.

[13]衣寶廉.燃料電池現狀與未來[J].電源技術,1998,05:34-39.

[14]張浩,劉昊,陳鷹,陶國良.壓縮空氣動力汽車加氣站的設計[J].機床與液壓,2004,10:27-28+74.