压缩空气动力汽车的研究与发展

进 气
拌气
热 交
排气
换
器
进 气
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蹦２发动机动力的串、并联分配方式
图３为压缩空气动力汽车动力分配的串并联混 合动力分配方式。此种方式下，前一级的缸之间为 并联方式，它们与后一级缸之间的动力分配关系为 串联关系。合理设计此类动力分配方式可得到集前 两类之优点的多缸压缩空气动力汽车发动机。
热 交 换 器
避 气
图３发动机动力的串并联混合分配方式
压缩空气动力汽车中，高压压缩空气经减压 后，通过热交换器吸热，进入作用缸推动负载运动。 因此，通过调节进入作用缸的气体压力和流最，可 以调整发动机的动力特性。 １．２压缩空气动力汽车的特点
压缩空气动力汽车在电能一压力能一机械能的 转化过程中，无（矿物）燃料的燃烧，排放的仍然是 无污染、无热辐射的空气，是真正的“绿色”、“零 污染”概念的汽车。
一般可假设在压缩空气动力汽车的动力控制过 程中，气体减压作功刚吸热充分，并认为这‘过程 为等温过程。南此可以计算分析整个过程释放的能 量。
假定高压气体的充气压力为３０ ＭＰａ、储气体 积为３００ Ｌ’当压缩空气从充气压力完全等温膨胀 到人气压时所能做的全部膨胀功为
∥＝慨嚣加
（１）
１０
机械工程学报
第３８卷第ｌｌ期
摘要：在对多种替代燃料汽车和电动汽车进行比较综述的基础上，介纠了压缩空气动力汽牟的丁作原理、结构特 点和性能特性。从能量利用的角度分析了压缩空气动力汽车的效率问题和ｎＪ行性，比较了压缩守气动力能源与电 池能源、燃料能源的特性，并与目前最为看好的氧燃料电池电动汽车的多种特性进行了全面的对比．结☆浙江大 学所开腱的初步研究＿＿ｒ＝作，指出ｒ压缩空气动力汽车项目需进｛Ｊ的主要研究内容，认为压缩空气动力汽车是一种 真正“零污染”的、有广阔市场前景的新概念的“绿色汽车”。 关键词：空气动力汽车绿色汽车气压传动环境保护 中图分类号：ｕ４６９ ７６ ｘ３８２ ｕ４６１
第３８卷第１１期 ２００２年１ １月
机械 工 程学报
ＣＨｌＮＥＳＥ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ ＥＮＧ工ＮＥＥＲｒＮＧ
ｖｏｌ ３８ Ｎ０１１
Ｎｏｖ
２ｏｏ２
压缩空气动力汽车的研究与发展＋
陈鹰 许宏 陶国良 王宣银 刘 昊 贾光政
（浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州３ １００２７）
表１与氢燃料电池电动汽车的特性比较
图４法围ＭＤＩ公司的压缩窄气动力汽车
国内近来也有人提出液态空气动力汽车的设 想，但液态空气动力汽车也同样存在液氮气体动力 汽车的问题。
压缩空气动力汽车的研究，曰前国内尚无文献 报道。浙江大学的气动汽车课题组已存气动摩托车 动力平台上分别进行了凸轮配气、阀配气的尊缸和 双缸压缩空气动力发动机的试验研究，已取得了一 定的成果。该课题组还同时进行了液氮气体动力汽 车的有关项目研究。
目前国外的研究Ｔ作主要集中在法国工程师 Ｇｕｙ Ｎ６９ｒｅ领导的研究小组，他们已获得相关的专 利２０余项，其设计出的气动汽车已经定型并投入 了商业生产。图４为他们设计的名为“ＴＯＰ”（Ｔａｘｉ ｚｅｒｏ Ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ）的压缩空气动力出租车。
此型号汽车以一罐３００ Ｌ、３０ ＭＰａ压力的压缩 空气，可以行驶２００ ｋｍ，最大时速达１００ ｋｍ／１１。
图ｌ法围ＭＤＩ公司出品的发动机 纯粹以Ｊ玉缩卒气为动力的发动机的总体结构和
传统汽车的发动机结构基本相同。但压缩空气动力 发动机的动力分配方式有串联方式、并联力式和串
机械工程学报
第３８卷第１ｌ期
并联混合方式。町以是往复活塞式和旋转式等结构。 图２ａ所示以往复活塞式结构为例的发动机动
力的串联分配方式，其缸与缸之间的空气动力管道 是串联的，卜一级缸的剩余压力是下级缸的始动 力。该方式的下级作用缸的结构尺寸较大，但动力 利用率较高，热交换较充分；图２ｂ为发动机动力 的并联分配方式，其缸与缸之间的空气动力管道是 并联的，不同缸的初始动力相同。并联方式的缸的 结构尺寸相同、动力输出平稳，但剩余压力稍高。
与传统的汽车相比，其发动机工作时无燃料的 燃烧过程，所以发动机的结构很简单、尺寸小、重 量轻、造价低。对材料要求低、设计和制造容易。
压缩空气动力汽车使用压缩卒气为动力，能量 的传递快捷、储存很容易，空气介质来源方便、清 洁、价廉，所需的电力能量容易获取。充气设备和
加气站等费用不高，较容易建造。整车使用维护和 生产费用低，且可利用现有气动技术、汽车设计和 制造技术，研制和开发周期短。
５主要研究内容
通过以上分析，可以看出设计出实用的压缩空 气动力汽车尚有许多上作要做。主要集中在如下几 个方面。
（１）压缩空气动力汽车发动机原理研究及结构 优化设计。发动机的下作原理、结构、材料及材料 热处理的要求与传统的内燃机区别很大，需建立起 气动汽车发动机结构设计准则。
（２）发动机气动动力分配形式的研究。发动机 配气方』℃也有阀配气及凸轮轴配气等，同时多还柯 串联、并联和混合动力方式。
表１中的“能量密度”和“能量转化率”项， 表明了压缩空气动力汽车的不足之处，也是限制压 缩空气动力汽车广泛应用的最主要的两项指标。 “能量密度”可以通过储气罐性能的提高向提高，
万方数据
４能量分析
对压缩空气动力汽车的使用性能要求应与常规 汽车一样，决定压缩空气动力汽车前景的关键问题 是汽车的整车效率问题。为此，需对压缩卒气动力 汽车进行能量分析。
（６１高压压缩空气贮放装置的设汁与选用。 （７）基于压缩空气动力的混合动力发动机的研 制。为适应复杂工况和较大的热不平衡现象需研究 压缩空气一燃油／燃气混合动力等其他类型的混合 动力发动机。 压缩空气动力汽车的效率和汽车气动系统控制 问题是拟解决的关键问题，它决定了气动汽车实际 应用的经济性。
６结论
表２为压缩空气动力与多种电池的比较，从中
可见压缩空气动力的质量比能量较燃料屯池小，较
大部分蓄电池高，处于中等水甲。但只要气罐材料
性能允许，随着储气压力的进步提高，该项指标
会有较大幅度的提高。
的回收和气动汽牟残存气中的能量的回收。 （５１其他气动汽车芨动机结构彤式的探索。在
理论上探索其他诸如涡轮式、气动马达式和旋转式 等气动汽车发动机结构形式的可行性。
燃料电池电动车是人们寄予厚望的『６”。目前 认为最有发展前途的是质ｆ交换膜燃料电池 （ＤＥＭＦｃ），以氢气为燃料，可实现零排放，能量 转化率高，结构简单。但燃料电池的制造成本比较 高，氧气的安仝存储、制备和灌装都有许多问题， 这制约了这种电动车辆的发展和实用化。
人们期待着一种没有污染、用之不竭的新型能
·周家自然科学基金委一福特基金资助项目（５叭２２１１５）。２００１１１０８收到 棚稿，２００２０２０８收到修改稿
万方数据
源出现，压缩卒气能源正是满足了这样的要求。
１压缩卒气动力汽车
１．１压缩空气动力汽车的原理 压缩空气动力汽车（Ａｉｒ＿ｐｏｗｅｒｅｄ ｖｅｈｉｃｌｅ
ＡＰｖｌ，简称气动汽车，利用高压压缩空气为动力 源，将压缩空气存储的压力能转化为其他形式的机 械能，从而驱动汽车运行。从理论ｌ：来说，液态空 气和液氮等吸热膨胀作功为动力的其他气体动力汽 车，也应属于气动汽车的范畴。
选择摩托车作为压缩空气动力发动机原理性试 验的实例。图５为浙江大学建寺的凸轮轴配气方歧 气动发动机试验台。
表２现有各种电池的比能量
ｗ．ｈ／始
压缩空气ｆ常温，３０ ＭＰａ墙ｏｏ Ｌ１
ＥＭＦＣ燃料电池 电容电池 Ｅ轮电池 铝酸电池（改进型、 镍镉｝Ｕ池 镍氧电池 锂离子电池 铝空气电池
７５ ８
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Ｏ前言
目前，世界汽车保有量已达到６．７亿辆，并以 每年２．３％的速度递增。人们Ｌ经开始更多地关注 如何消除对矿物燃料的依赖， ‘直渴望着新的“绿 色汽车”及绿色汽车能源的出现…。
在人们的期盼中，相继出虮了多种代用燃料汽 车，如天然气（ｃＮＧ、ＬＮＧ）汽车，醇类汽车和 甲 醚ｆＤＭＥ）汽车等『２，”。但是，代用燃料汽车仍然有 排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料 燃烧控制也困难。
对污染要求特别严格的城市中心、重点旅游 区、自然保护区，对噪声要求高或室内使用的中小 型工具、运输丁具等，对短途的交通工具，军用潜 艇等场合，压缩卒气动力都将有不可替代的作用。 特别足它可以满足现阶段宁气污染严重城市的迫切 需要，具有巨大的市场潜力和广泛的应用前景。
我国电力资源非常丰富，而石油资源相对紧 缺，运输工具每年所燃烧掉的大量的不可再生的自 然资源非常可惜。压缩空气动力汽车是对电力能源 很好的二次利用，符合我国目前和将来的能源结构 调整的大趋势．也为电力能源的再利用开辟了新的 领域。
与此同时，还出现了大量电动汽车以及混合动 力汽车…。但目前的电动汽车仍受制于午用电池因 素的制约，存在功率比、循环寿命、冲放电性能、 造价、污染和安全性等方面的一系列问题，一时还 难以达到实用的程度，电池本身也存在严重的二次 污染问题。
混和动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车 的优点，但仍存在排放问题。并且由十包括了两套 动力装置．驱动和控制系统更为复杂”］。
压缩空气动力汽车直接采用流量或压力调节， 传动系的机械损失将有较大减少，虽兀常规汽车发 动机的泵气损失，但存在于压缩空气动力汽车发动 机的残存气中的压力损失（残气损失），将对整个压 缩空气动力汽车的效率产生很大影响。采用压力分 级控制和串联动力分配方式将会减少残存气中的能 量，同时采用汽车制动能的叫收将会较大程度地解 决压缩空气动力汽车整车效率问题。
万方数据
２００２年１１月
陈鹰等：压缩守气动力汽车的研究与发展
要优点在于液氮无须使用高压储存和高压罐，安全 性较好。但液氮的制取和存储需很低的温度，制氮 成本不低，贮氮费用也较大。使用过程中存在氮气 逸气量大，液氯气化的热交换量也很大。
“能量转化率”的提高需对气动回路的设计和能量 回收系统深入研究。