壓縮空氣動力汽車的應用前景展望

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

引言

近年來，由于石油資源日漸消耗殆盡，環(huán)境污染日趨嚴重，國家開始大力發(fā)展新能源汽車[1-2]。除廣為人知的電動汽車、生物燃料汽車、氫燃料汽車外，壓縮空氣動力汽車目前也逐漸進入人們的視野。

1 壓縮空氣動力汽車

壓縮空氣動力汽車是利用高壓空氣作為動力源，將壓縮空氣儲存的壓力能轉(zhuǎn)換為機械能，從而驅(qū)動汽車運行的一類新能源汽車。

壓縮空氣動力汽車的工作原理與傳統(tǒng)汽車基本類似，為其提供動力來源的壓縮空氣動力發(fā)動機總體結(jié)構(gòu)形式依然借鑒傳統(tǒng)汽車的結(jié)構(gòu)模式[3]，主要包括往復活塞式，旋轉(zhuǎn)活塞等形式[4]。其動力分配形式可包括串聯(lián)式、并聯(lián)式及串并聯(lián)混合方式。

2 壓縮空氣動力發(fā)動機

壓縮空氣動力發(fā)動機（氣動發(fā)動機）是氣動汽車的核心部件，減壓到工作壓力的高壓空氣進入氣動發(fā)動機氣缸內(nèi)膨脹做功，因此其基本結(jié)構(gòu)接近于傳統(tǒng)內(nèi)燃機，其包括機體、氣缸、活塞、連桿、曲軸及配氣機構(gòu)等部分。氣動發(fā)動機的工作循環(huán)為簡單的兩沖程，即高壓壓縮空氣進入氣缸膨脹做功沖程與膨脹后低壓氣體排出氣缸的排氣沖程。氣動發(fā)動機的工作特性為起動及低速時的扭矩較高，隨發(fā)動機轉(zhuǎn)速升高其輸出扭矩逐漸減小[5]，耗氣量則逐漸增大。通常情況下進氣閥打開后，氣動發(fā)動機即可投入運轉(zhuǎn)并輸出最大扭矩[6-7]，直接驅(qū)動汽車起動行駛。

3 壓縮空氣動力汽車的特點

壓縮空氣動力汽車的主要特點如下：

（1）無污染排放；

（2）結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、低維護，無需冷卻系統(tǒng)，成本低廉；

（3）壓縮空氣的壓力隨著行駛里程的延續(xù)而衰減；

（4）壓縮空氣壓力可達30 Mpa，存在著高壓氣體的安全性問題。

4 壓縮空氣動力汽車的歷史及發(fā)展

1938年，法國AMDRAUD制造成功利用壓縮空氣驅(qū)動的三輪車。

1982年，美國飛機機械師塔瑞·米勒將四缸發(fā)動機的歐寶汽車改裝為壓縮空氣動力汽車，其最高時速可達50km/h，一次續(xù)航里程可達30km。

1991年，法國設計師Guy Negre獲得了壓縮空氣動力發(fā)動機的專利，并創(chuàng)建了MDI公司[8]。

1997年，美國華盛頓大學研制了第一臺以液氮作為動力的氣動原型汽車[9]。

1998年，法國MDI公司推出了第一臺壓縮空氣動力汽車的樣車，其續(xù)航里程可達200km，最大時速可達100km/h[10]。

1999年年底，中國浙江大學氣動汽車課題組成立，并于2003年春節(jié)前夕完成樣車制造及試驗。

2007年5月，印度塔塔汽車公司研制出一款City Cat空氣動力汽車，其最高時速可達109km/h。

2009年，法國MDI公司研發(fā)成功三人座的三輪空氣動力汽車，并采用玻璃纖維等質(zhì)量較輕、有一定強度的材料制作，其全重僅220kg，最高時速可達70km/h，行駛里程可達220km。

2012年5月30日，中國祥天集團研發(fā)的空氣動力客車亮相于第十五屆北京科技產(chǎn)業(yè)博覽會，該車車速可達140km/h，續(xù)航里程可達200km，儲氣罐容量可達2000L。

2013年法國標致雪鐵龍公司在日內(nèi)瓦車展及上海車展上推出一款全新的壓縮空氣混合動力汽車，名為hybird air。

5 壓縮空氣動力汽車的應用前景展望

氣動發(fā)動機由于內(nèi)部無燃燒過程，其機體并不承受高溫及高壓，因此無需專門設置冷卻系統(tǒng)，整機結(jié)構(gòu)簡易、質(zhì)量輕小，有效降低了其制造及維護成本。同時其扭矩特性較為優(yōu)越，具備低速高扭矩的特點，可直接啟動。相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車“化學能→熱能→機械能”的能量轉(zhuǎn)換過程，壓縮空氣動力汽車由于無需經(jīng)過燃燒過程，通過儲存的壓縮空氣壓力勢能經(jīng)氣動發(fā)動機轉(zhuǎn)換即可輸出機械能[11]，其能量損失比傳統(tǒng)內(nèi)燃機更小，整車效率較高，更具節(jié)能效益。而經(jīng)氣動發(fā)動機做功后的空氣溫度較低，成分亦較為簡單，不存在諸如NOx、HC、PM等多種污染物質(zhì)，其環(huán)保方面優(yōu)勢十分明顯[12]。

相比于電動汽車，壓縮空氣動力汽車在效率方面并不占據(jù)優(yōu)勢，但電動汽車自身固有的較高成本及充電時間較長等問題一定程度上限制了其應用。 通常而言，即使不考慮更換儲氣罐的方式，壓縮空氣動力汽車補充壓縮空氣的時間通常也要短于電動汽車的充電過程。盡管該兩類新能源汽車均不產(chǎn)生排放，但電動汽車的蓄電池等裝置在廢棄后較難處理，如直接填埋，其化學成分會對水體、土壤等造成較為嚴重的污染[13]。反觀壓縮空氣動力汽車則無污染之虞，且其氣罐等設備可多次重復利用。

壓縮空氣動力汽車在節(jié)能與環(huán)保方面的優(yōu)勢可謂獨樹一幟，既不產(chǎn)生排放，同時又有著較高的能量轉(zhuǎn)換效率，還可以多次循環(huán)使用，廢棄后也不會對環(huán)境產(chǎn)生負面影響，可謂是一類充滿前景的新能源汽車。

6 推廣壓縮空氣動力汽車的主要問題

（1）壓縮空氣動力汽車自身的劣勢也同樣明顯，壓縮空氣的儲存壓力可達30Mpa及以上，對儲氣罐的尺寸規(guī)格參數(shù)要求也較高，同時對壓縮空氣的儲存及攜帶遠不如傳統(tǒng)的石油類燃料簡易、便捷。

（2）車輛自身的安全性是一大重要指標，在如此高的儲氣壓力下，一旦儲氣罐發(fā)生物理性爆炸，后果不堪設想。

（3）目前的壓縮空氣動力汽車的續(xù)航里程和動力性能均較有限，無法與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機汽車相提并論。而壓縮空氣的儲氣壓力隨著車輛的行駛里程的延伸而逐漸衰減，伴隨著不可避免的漏氣現(xiàn)象，顯著影響其動力性能。

（4）就基建設施方面而言，目前國內(nèi)提供壓縮空氣的加氣站尚未得以普及，一定程度上限制了該新能源車型的大范圍推廣。

7 結(jié)論

壓縮空氣動力汽車有著清潔、高效、成本較低、扭矩特性優(yōu)異、可重復利用的顯著優(yōu)勢，但同時也存在動力性較低、續(xù)航里程有限、安全性較低、存在漏氣現(xiàn)象、相關基建設施仍未普及等一系列缺陷。但不可否認，隨著石油資源的日漸減少及環(huán)境要求的提高，壓縮空氣動力汽車必將在公路運輸領域日漸嶄露頭角。