壓縮空氣動力汽車的基本原理和可行性分析

劉杰，周海民，付紅，周化龍

（1.江蘇建筑職業(yè)技術學院智能制造學院；2.徐州徐工汽車制造有限公司技術中心，江蘇 徐州 221000）

近年來，社會經濟快速發(fā)展，各個行業(yè)也實現了創(chuàng)新與進步，在發(fā)展的過程中都會關注到節(jié)能環(huán)保問題，汽車行業(yè)也不例外。截至2022 年6 月底，我國機動車保有量達4.06 億輛，其中新能源汽車有1001 萬輛，新能源汽車數量相對較少，環(huán)境問題依舊不容忽視。大力研發(fā)和發(fā)展新能源汽車技術是未來汽車發(fā)展的主要前景，這也是當前能源危機、環(huán)境污染問題有效處理的重要形式。

1 壓縮空氣動力汽車

壓縮空氣動力汽車的整體結構與普通燃油汽車相似，都是由電氣、動力、傳動等系統以及車身和底盤所構成，但是這兩者的動力系統存在較大差異。壓縮空氣動力汽車的能量傳遞路線如圖1 所示。將其動力系統看作一個整體，作為空氣動力的整體系統，在此系統中包括空氣動力所需要的所有裝置，如傳動系統、熱交換器、減壓裝置、高壓氣罐以及輔助設備。所有增加壓力的空氣都被存儲在高壓氣罐中，然后應用減壓裝置降低壓力后轉變?yōu)閯恿怏w，為汽車提供動力，帶動傳動系統運轉，完成汽車行駛。由于整體結構系統中除了動力系統以外，都與普通燃油汽車類似，對此只對壓縮空氣動力汽車的動力系統結構進行研究。

圖1 壓縮空氣動力汽車能量傳遞路徑示意圖

1.1 氣動發(fā)動機

在壓縮空氣動力汽車中，氣動發(fā)動機是整個汽車的“心臟”，其原理比較簡單，主要是由高壓氣罐中存儲的高壓氣體驅動發(fā)動機缸體內的活塞運動進而驅動汽車前進，以此將氣體的高壓勢能轉變?yōu)闄C械能，推動汽車做工。這個能量轉化屬于物理反應，不會對外界環(huán)境造成任何的污染和破壞，轉化過程較為穩(wěn)定。當前研發(fā)設計出來的氣動發(fā)動機基本都是按照這一原理，盡管形式較多，但是實質是一樣的，如復式、葉片式、螺旋式的氣動發(fā)動機。

1.2 高壓氣罐

在壓縮空氣動力汽車中，高壓氣罐的主要作用在于存儲高壓氣體，是動力系統中存儲能量的關鍵，價值等同于燃油汽車中的油箱。由于高壓氣罐需要承載壓力較高的空氣，其整體需要具備較高的抗壓能力，因此，應用的材料相比油箱材料會更加嚴格，而且還要具有較少的質量和尺寸。

例如，e.Volution 汽車應用雙缸壓縮空氣發(fā)動機來驅動，既能夠單一地利用壓縮后的空氣作為動力，還能將其作為內燃發(fā)動機。一般高壓氣罐的制作材料是玻璃纖維材料或者是碳纖維材料，將壓縮后的空氣存儲其中，罐內能夠承受30MPa 的壓力。e.Volution 汽車將儲氣罐安裝在汽車底部，充滿可容納300L 的空氣，支撐汽車行駛200km。

1.3 減壓裝置

大多數壓縮空氣動力汽車中高壓氣罐的承受壓力與e.Volution 汽車一樣，都為30MPa。但是，在氣動發(fā)動機環(huán)節(jié)，需要的壓力較低，在這種情況下就需要在二者之間設計一個降低空氣壓力的裝置，也就是減壓裝置，以此為氣動發(fā)動機運行起來有充足的低壓空氣提供保障。現在應用的減壓裝置一般是減壓閥，也就是節(jié)流減壓裝置，能夠起到降低壓力的作用，而且利用這種裝置能夠保證減壓穩(wěn)定性輸出，但是，在工作的過程中會產生較大的能量損失。同時，還可以采用容積式減壓系統作為減壓裝置，這種裝置在工作的過程中產生的能量損失較小。另外，經過研究后發(fā)現，相比單一層級的減壓模式，設置兩級減壓模式的能量利用率會更高，工作穩(wěn)定性更強。

1.4 熱交換器

在壓縮空氣動力汽車的動力系統中，高壓氣罐中存儲的高壓空氣在通過減壓裝置降低壓力的過程中，溫度會逐漸下降，進而對整體做功能力造成影響。對此，中間需要增加熱交換器，為氣動發(fā)動機提供熱能，提升氣體吸收環(huán)境的溫度，而且設置熱交換器還能有效提升氣體膨脹時的做功能力。目前，主要應用固體壁面形式的熱交換器，高溫流體和低溫流體之前有一個固體壁面，兩種流體不接觸實現熱量傳遞。

1.5 輔助設備

壓縮空氣動力汽車的動力系統中應用輔助設備，主要是讓整個動力更好地發(fā)揮出來，提升動力系統應用效率。輔助設備包括兩大類別：（1）控制系統；（2）能量回收系統。前者包括溫度傳感器、壓力傳感器以及單片機等，后者主要是進行能量回收，包括氣動發(fā)動機排出的高壓氣體，還有汽車制動過程中產生的能量等，從而提升整車能量利用率。

2 壓縮空氣動力汽車動力系統能量分析

壓縮空氣動力汽車的動力系統在工作時，發(fā)動機缸內的氣體會快速膨脹，然后吸收熱量，在這個過程中，氣動發(fā)動機內的熱量減少，機械能做功的能力也會受到影響。對于氣體吸熱膨脹而言，氣體并沒有與外界接觸，也不會產生熱量交換，這樣一來，這種膨脹形式就屬于等溫和絕熱膨脹中間的環(huán)節(jié)。因此，壓縮空氣動力汽車的動力系統能量分析如下：

式中，Pres為高壓氣罐的壓力，一般取30MPa；Pout為排氣壓力，取0.1MPa；V 為氣缸容積，一般取200L；K 為空氣絕熱系數，一般取1.4。

將這些數據帶入兩個公式中進行計算可以得出，等溫膨脹做功W 是3.4×107（J），絕熱膨脹做功W 是1.2×107（J）。對此，將熱交換器和輔助裝置應用于動力系統中，能夠在一定程度上對氣體膨脹所需能量進行補償，促使氣動發(fā)動機膨脹的過程中盡可能處于等溫膨脹狀態(tài)下，這樣能夠有效地提升氣動發(fā)動機對外輸出功的值。

3 壓縮空氣動力汽車行駛里程計算分析

汽車在行駛的過程中會產生滾動阻力，出現這種阻力的原因在于汽車輪胎和路面接觸時，在壓力作用下輪胎會下沉變形，進而產生阻力，也會影響做功效率，計算公式如下：

式中，m 為車的質量，kg；f 為摩擦阻力系數；α為道路坡度角，°。

汽車在行駛的過程中會產生空氣阻力，出現這種阻力的原因在于，汽車向前行駛的方向上，由于空氣速度與汽車速度不同，車身與空氣分子發(fā)生碰撞，空氣分子對車身產生反作用力，就是空氣阻力，計算公式如下：

式中，Cd為空氣阻力系數；ρ 為空氣密度，kg/m3，一般取值為1.29kg/m3；A 為迎風面積，m2；ur為汽車行駛過程中的相對速度，m/s。

若汽車在無風狀況下行駛，空氣阻力計算公式如下：

式中，ua為壓縮空氣動力汽車的行駛速度，km/h。

壓縮空氣動力汽車在坡道上行駛的過程中，相比正常道路有一定的難度，這是由于在坡道方向上在重力的影響下，汽車會受到一個坡道阻力，計算公式如下：

式中，α 為道路坡道角，°。

壓縮空氣動力汽車在加速行駛的過程中，會受到汽車自身質量產生的一個慣性力，這個慣性力也就是汽車的加速阻力，其計算公式如下：

式中，δ 為汽車的旋轉質量，這一質量與飛輪和車輪之間的轉動慣量、傳動系統的傳動比有關。對于普通燃油汽車而言，汽車旋轉質量換算系數有固定的計算公式，而對于壓縮空氣動力汽車而言，其氣動發(fā)動機與燃油發(fā)動機存在明顯差異，對此δ 的計算公式也會有所不同，具體計算如下：

式中，Iw為車輪的旋轉質量，kg。

正常一輛汽車在道路上行駛過程中，受到的阻力包括地面摩擦阻力以及空氣阻力，假如需要爬坡，那么受到的阻力還會加上坡度阻力以及汽車增加速度爬坡的加速阻力。

總體阻力為：

式中，Ff為汽車行駛時受到的地面摩擦力，N；Fw為汽車行駛時受到的空氣阻力，N；Fi為汽車行駛時受到的坡度阻力，N；Fj為汽車行駛時受到的加速阻力，N。

汽車在水平、無障礙的道路上勻速行駛時，只會受到空氣阻力和地面摩擦力，假如整車質量m 是800kg，A 為1.7m2，f 為0.013，Cd為0.315，機械傳動系數η為0.9。那么摩擦阻力Ff為101.92N，Fw為58.98N，那么F阻為160.9N。

假如壓縮空氣動力汽車采用60km/h 的速度行駛，結合公式（10）對兩種熱交換方式下汽車的行駛里程進行計算，最終獲取S等為190.18km，S絕為67.1km。絕熱膨脹方式計算的結果S絕遠遠小于等溫膨脹方式計算的結果S等，對此就需要在氣動發(fā)動機上安裝熱交換器，促使發(fā)動機處于等溫交換情況下，才能促使壓縮空氣動力汽車行駛的里程更遠。

4 壓縮空氣動力汽車經濟性分析

壓縮空氣動力汽車經濟性分析的標準較多，本文采取相同費用下行駛里程遠近進行計算，并對比相同里程下燃油的消費情況。選擇壓縮空氣動力汽車的高壓氣罐為三級，排氣量為220L/min，最高排氣壓力為35MPa，電機功率為4kW，電源電壓為380V，氣罐規(guī)格為30MPa、200L。

結合加載時間計算公式獲取高壓氣罐注滿空氣的時間：

式中，T 為氣罐注滿空氣的時間，min；P1為最終排氣壓力，MPa；P0為初始壓力，MPa；V 為高壓氣罐容積，L；Vpai為排氣量，L/min。

結合公式計算出高壓氣罐注滿空氣的時間為4.53h，假如電費價格為1 元/度，那么所需電費為18.12 元。按照國家規(guī)定峰谷電價不同，假如合理用電，可以將費用控制在10 元以內。

假設92#汽油價格為7.0 元/升，對于排量較小的汽車而言，每一百公里的耗油量為6.7 升，按照電費18.12 元購買汽油可以購買2.588 升，供燃油汽車行駛距離為38.6公里，遠遠低于壓縮空氣動力汽車行駛距離，由此可以看出，后者更加具有經濟性。

5 結語

總之，對于壓縮空氣動力汽車而言，有著廣闊的應用前景，空氣經過壓縮機壓縮后再通過過濾器等設備凈化后就能應用，結構比較簡單，尺寸小，質量較輕，生產費用和后期維護費用較低，可以充分應用現在的汽車設計和制造技術、壓縮空氣技術等，相比燃油汽車的經濟性更高，對此壓縮空氣動力汽車具有一定的可行性。