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？發動機的含義是把其他方式的能量尤其是熱能轉化為旋轉動能，以驅動車輛。最早由瓦特發明的蒸汽機是利用燃燒煤產生熱量加熱水，利用水蒸氣的壓力推動氣缸中活塞往復運動，進而實現驅動系統的旋轉運動。汽車的發動機統稱為內燃機，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進行燃燒，熱量使燃燒室內部氣壓增加，推動活塞運動，通過曲柄連桿機構轉換成為旋轉動能。

目前界定汽車的元年是1886年本茨第一次把內燃機應用在三輪車輛上，并驅動了這輛車行走，從此內燃機發動機技術發展起來。其實人們利用空氣壓力實現車輛行駛的想法要早于汽車的元年，甚至發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動機時代，一直在研究空氣動力。隨著發動機技術的快速發展，空氣動力技術也被提了出來。

空氣動力汽車的優點主要體現在4個方面：一是利用壓縮空氣做功，沒有燃燒，不會污染環境。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，可以利用工業制氣的廢氣，相對價格低廉。四是由于采用與汽車結構一致的動力傳動系統，內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點，為什么當初車輛會放棄壓縮空氣帶來的動力呢？這個問題的產生主要是人們如何定義車輛造成的。車輛包括蒸汽機車都是在不斷提高車速和續駛里程方面發展，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需求大量能量，而高速行駛又需要長時間穩定地輸出能量，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，或者短時間內全部釋放出來的能量不能保證汽車的續駛里程性能，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。根據熱力學定律，氣體壓縮過程中會產生大量的熱，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。實際應用中會發生由于氣體在一個空間快速膨脹，導致這個區域溫度驟降，甚至可能會結冰，致使熱傳導不利，出現動力不足的現象。因此壓縮空氣動力需要在工作區加熱裝置以避免上述情況出現，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。三是發動機的排氣存在一定壓力。壓縮空氣發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，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，對儲存罐的技術來說也是技術難點。

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及不同海拔地區的試驗。