1壓縮空氣動(dòng)力汽車1.1壓縮空氣動(dòng)力汽車的原理壓縮空氣動(dòng)力汽車（Air-PoweredVehicle，APV）通常稱為氣動(dòng)汽車。它使用高壓壓縮空氣為動(dòng)力源，空氣作為介質(zhì)，汽車運(yùn)行時(shí)將壓縮空氣存儲(chǔ)的壓力能轉(zhuǎn)化為其它形式的機(jī)械能（汽車動(dòng)能）。

　　以液態(tài)空氣和液氮等吸熱膨脹作功為動(dòng)力的其它氣體動(dòng)力汽車也應(yīng)屬于氣動(dòng)汽車的范疇1氣動(dòng)汽車工作原理與傳統(tǒng)汽車*大差別在于汽車動(dòng)力來源的不同其發(fā)動(dòng)機(jī)的總體結(jié)構(gòu)形式還是可以借鑒傳統(tǒng)汽車現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模式，主要還是往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式等形式。、分別為法國MDI公司出品的壓縮空氣動(dòng)力和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀圖和結(jié)構(gòu)示意圖。

　　燒室及其相應(yīng)裝置去除，即成為純粹以壓縮空氣為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　空氣注射器X膨脹排活迤進(jìn)氣壓縮活塞壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)也可以有往復(fù)活塞式、旋轉(zhuǎn)活塞式和氣馬達(dá)型等多種結(jié)構(gòu)形式，目前只有往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)的報(bào)道。

　　壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力分配方式有串聯(lián)方式、并聯(lián)方式和串、并聯(lián)混合方式。以往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)為例，所示的動(dòng)力分配為串聯(lián)方式，缸與缸間的空氣動(dòng)力是串接的，上一缸的剩余壓力是下一缸的始動(dòng)力。該方式的下級(jí)作用缸的結(jié)構(gòu)尺寸較大，但動(dòng)力利用率較高熱交換較充分。為動(dòng)力分配的并聯(lián)方式其缸與缸之間的空氣動(dòng)力是并接的不同缸的初始動(dòng)力相同。并聯(lián)方式的缸的結(jié)構(gòu)尺寸相同勁力輸出平穩(wěn)，但剩余壓力稍高。

　　構(gòu)成，分別是進(jìn)氣壓縮缸、膨脹排氣缸和一個(gè)球型的定容燃燒室。它通過電控裝置進(jìn)行燃料燃燒動(dòng)力和壓縮空氣動(dòng)力的切換。若將中的球型定容燃sn儲(chǔ)壓力，提高機(jī)械效率減小排氣損失和減壓損失，進(jìn)行能量回收和能量的充分利用。

　　現(xiàn)正在南非約翰內(nèi)斯堡、墨西哥城推廣基于壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的城市用出租車。

　　汽車技術(shù)、中儲(chǔ)氣瓶的高壓壓縮空氣經(jīng)減壓后，通過熱交換器吸熱進(jìn)入作用缸推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)。合理設(shè)計(jì)串、并聯(lián)通道的壓力切換，以及各缸在曲軸上的轉(zhuǎn)角相位關(guān)系；將可以獲得發(fā)動(dòng)機(jī)平穩(wěn)的動(dòng)力輸出。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入作用缸的氣體壓力和流量，可以改變發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性。

　　1.2能量分析對(duì)壓縮空氣動(dòng)力汽車的使用性能要求與傳統(tǒng)汽車一樣決定壓縮空氣動(dòng)力汽車前景的關(guān)鍵問題是汽車的整車效率問題。為此，需對(duì)壓縮空氣動(dòng)力汽車進(jìn)行能量分析。

　　壓縮空氣動(dòng)力汽車直接采用流量或壓力調(diào)節(jié)，傳動(dòng)系的機(jī)械損失將有較大減少，雖無傳統(tǒng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的泵氣損失，但存在于壓縮空氣動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的殘存氣中的壓力損失（殘氣損失），將對(duì)整個(gè)壓縮空氣動(dòng)力汽車的效率產(chǎn)生很大影響。采用壓力分級(jí)控制和串聯(lián)動(dòng)力分配方式將會(huì)減少殘存氣中的能量同時(shí)采用汽車制動(dòng)能的回收將會(huì)較大程度地解決壓縮空氣動(dòng)力汽車整車效率問題。

　　一般可假設(shè)在壓縮空氣動(dòng)力汽車的動(dòng)力控制過程中，氣體減壓作功時(shí)吸熱充分，并認(rèn)為這一過程為等溫過程。由此可以計(jì)算分析整個(gè)過程釋放的能量。

　　假定高壓氣體的壓力為30MPa、儲(chǔ)氣體積為300L，當(dāng)壓縮空氣從30MPa壓力芫全等溫膨脹到0.1MPa時(shí)所能做的全部膨脹功為：（1）、式（2）及相應(yīng)參數(shù)可計(jì)算出起始、終了狀態(tài)間的全部膨脹功為：假定儲(chǔ)氣罐質(zhì)量為100kg，可求得常溫下對(duì)應(yīng)的壓縮空氣的質(zhì)量比能量約為75Wh/kg.若要獲得較大的行駛里程只、有加大罐容和存假定用壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)某一款轎車，取其空氣阻力系數(shù)為0.25，迎風(fēng)面積為1.7：2，整車裝備質(zhì)量為700kg，載質(zhì)量250kg，滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.015，按平均時(shí)速60km/h計(jì)算需牽引力約為216N.定義壓縮空氣所做的有效膨脹功與壓縮空氣儲(chǔ)存的全部膨脹功之比為壓縮空氣的使用效率。并假設(shè)全部壓縮空氣等溫膨脹做功，汽車的機(jī)械傳動(dòng)效率為0.85，當(dāng)需汽車行駛150km時(shí)，由上述計(jì)算可得壓縮空氣的使用效率為68提高壓縮空氣使用效率、增大罐容和增大充氣壓力是提高汽車一次充氣行駛里程的主要手段。當(dāng)然增大罐容受到汽車有效空間的限制增大充氣壓力受罐工藝的限制，在罐容、充氣壓力和汽車行駛里程之間有個(gè)*優(yōu)匹配參數(shù)。壓縮空氣使用效率為*大的變數(shù)需深入研究。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、能量回收、少損減壓控制等問題的解決壓縮空氣使用效率將會(huì)不斷提高。

　　壓縮空氣動(dòng)力的質(zhì)量比能量較燃料電池小較大部分蓄電池高，處于中等水平。但只要?dú)夤薏牧闲阅茉试S，該項(xiàng)指標(biāo)會(huì)有較大幅度的提高。

　　1.3壓縮空氣動(dòng)力汽車的特點(diǎn)壓縮空氣動(dòng)力汽車無燃料燃燒，排放的是無污染、無熱輻射的空氣是真正的“綠色”概念汽車。其能量的傳遞快捷、儲(chǔ)存容易，介質(zhì)來源方便、清潔，所需的電力容易獲取；充氣設(shè)備和社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用不高較容易建造。

　　與傳統(tǒng)汽車相比其發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)無燃料燃燒過程，所以發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)材料要求低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、質(zhì)量輕、造價(jià)低，設(shè)計(jì)和制造容易。整車使用維護(hù)和生產(chǎn)費(fèi)用低，且可利用現(xiàn)有氣動(dòng)技術(shù)、汽車設(shè)計(jì)和制造技術(shù)研制和開發(fā)周期短。

　　對(duì)環(huán)境污染要求特別嚴(yán)格的城市中心、重點(diǎn)旅游區(qū)、自然保護(hù)區(qū)，以及對(duì)噪聲要求高或室內(nèi)使用的中小型工具、運(yùn)輸工具、軍用潛艇等場(chǎng)合壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)具有很大的市場(chǎng)潛力和廣泛的應(yīng)用前景。

　　2國內(nèi)外研究工作綜述空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，并加盟MDI公司，于1998年推出了**臺(tái)壓縮空氣動(dòng)力汽車樣車。MDI公司目前國外的研究工作主要集中在法國工程師GuryN-gre領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，他們已獲得相關(guān)的專利20余項(xiàng)。為他們?cè)O(shè)計(jì)的名為“TOP”的壓縮空氣動(dòng)力出租車。

　　據(jù)報(bào)道，此型號(hào)汽車以一罐300 430MPa壓力的壓縮空氣，可以行駛150km以上，*大時(shí)速達(dá)美國人RogerLee也提出了類似的專利；荷蘭的國際汽車研究中心，以及奧地利等一些歐洲國家也正積極進(jìn)行相關(guān)的研究。

　　美國華盛頓大學(xué)于1997年研制了一臺(tái)以液氮為動(dòng)力的氣動(dòng)原型汽車。其基本工作原理與壓縮空氣動(dòng)力汽車相同，只是動(dòng)力來源于液態(tài)氮受熱蒸發(fā)后氣體膨脹做功。液氮無需使用高壓罐儲(chǔ)存，安全性較好。但液氮的制取和存儲(chǔ)需很低的溫度，制氮成本不低貯氮費(fèi)用較大。使用過程中存在氮?dú)庖輾饬看蟆⒁旱臒峤粨Q量也很大等問題。

　　國內(nèi)近來也有人提出液態(tài)空氣動(dòng)力汽車的設(shè)想，但其同樣存在液氮?dú)怏w動(dòng)力汽車的問題。

　　目前國內(nèi)尚無壓縮空氣動(dòng)力汽車的研究報(bào)道。

　　浙江大學(xué)的氣動(dòng)汽車課題組已在氣動(dòng)摩托車動(dòng)力平臺(tái)上分別進(jìn)行了凸輪配氣、閥配氣的單缸和雙缸壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行了壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)原理性實(shí)驗(yàn)，已取得了一定的成果。

　　3汽車特性對(duì)比分析為了進(jìn)一步說明以壓縮空氣為動(dòng)力的氣動(dòng)汽車的特點(diǎn)，以人們普遍看好的氪燃料電池電動(dòng)汽車作為全面的比較對(duì)象表1列出了這兩種汽車常用的使用特性對(duì)比情況。

　　壓縮空氣動(dòng)力汽車在制造、使用、安全性等方面都具有很強(qiáng)的實(shí)用性和競(jìng)爭(zhēng)力，特別是其具有良好的環(huán)保特性和較低的制造成本。表中的“能量密度”和“能量轉(zhuǎn)化率”項(xiàng)，表明了壓縮空氣動(dòng)力汽車的不足之外也是限制壓縮空氣動(dòng)力汽車廣泛應(yīng)用的*主要的兩項(xiàng)指標(biāo)。但“能量密度”可以通過儲(chǔ)氣罐性能的提高而提高，能量轉(zhuǎn)化率“可通過合理地設(shè)計(jì)氣動(dòng)回路和進(jìn)行能量回收來提高。

　　表1壓縮空氣動(dòng)力汽車與氫燃料電池電動(dòng)汽車特性比較特性氨燃料電池電動(dòng)汽車壓縮空氣動(dòng)力汽車能源轉(zhuǎn)化方式化學(xué)能！電能！機(jī)械能電能！壓縮能！機(jī)械能排放物胝壓控氣能量轉(zhuǎn)化率局較高發(fā)動(dòng)機(jī)工作溫度中、局溫環(huán)境溫度前期耗能過程制氨、儲(chǔ)氨制音高壓空氣控制程度簡(jiǎn)單較簡(jiǎn)單制造成本局低維護(hù)成本局低使用成本灌氨、儲(chǔ)氨成本較高充氣方便、成本低聲小熱輻射較大無起動(dòng)特性較好壽命較長(zhǎng)長(zhǎng)充氣時(shí)間較長(zhǎng)短動(dòng)力能量密度大較大能源存儲(chǔ)安全性較差較好4結(jié)束語壓縮空氣動(dòng)力汽車是可行的具有突出的環(huán)保特性符合汽車“綠色設(shè)計(jì)”的時(shí)代精神。

　　壓縮空氣動(dòng)力汽車的實(shí)用化尚有許多工作要做主要集中在如下幾個(gè)方面：壓縮空氣動(dòng)力汽車的效率和氣動(dòng)系統(tǒng)的控制。

　　壓縮空氣動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)原理研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　C.發(fā)動(dòng)機(jī)氣動(dòng)動(dòng)力分配形式的研究。

　　壓縮空氣容積式減壓控制技術(shù)。

　　氣動(dòng)汽車能量回收系統(tǒng)研究。

　　其它氣動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式的探索。

　　高壓壓縮空氣貯放裝置的設(shè)計(jì)與選用。