從熱功轉(zhuǎn)換效率角度分析純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用性

吳林威

(華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 上海 200241)(收稿日期：2016-09-02)

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從熱功轉(zhuǎn)換效率角度分析純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用性

吳林威

(華東師范大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 上海 200241)(收稿日期：2016-09-02)

結(jié)合大學(xué)物理熱力學(xué)中的熱功轉(zhuǎn)化效率理論和文獻(xiàn)查閱的目前技術(shù)能達(dá)到的純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，定量分析了純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用性．通過經(jīng)典熱力學(xué)理論聯(lián)系創(chuàng)新前沿的實(shí)例分析，增強(qiáng)了古老熱力學(xué)理論學(xué)習(xí)的新穎性和趣味性．

大學(xué)物理 熱力學(xué) 等溫膨脹過程 熱功轉(zhuǎn)換效率

據(jù)最近國外汽車發(fā)展報(bào)道，有一家新的汽車制造企業(yè)“零污染汽車公司”(ZPM,Zero Pollution Motors)正在計(jì)劃打造利用純壓縮空氣作為驅(qū)動(dòng)力的微型汽車，并有望在美國建造第一個(gè)加工工廠而進(jìn)行批量生產(chǎn)[1]．該微型汽車AIRPod(圖1)通過一個(gè)兩缸壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)車輛后輪進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，壓縮空氣發(fā)動(dòng)機(jī)直接把儲(chǔ)存箱中的高壓空氣引導(dǎo)到發(fā)動(dòng)機(jī)的活塞單元中，活塞移動(dòng)帶動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，最終動(dòng)力傳遞到車輪，驅(qū)動(dòng)車輛前行．據(jù)稱AIRPod車型最高車速可達(dá)到 80 km/h，續(xù)駛里程超過 160 km，真正實(shí)現(xiàn)零尾氣排放．

圖1 ZPM公司生產(chǎn)的純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車AIRPod

近日央視也在新聞中報(bào)道了壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的前景，宣稱其僅用空氣工作物質(zhì)、不燒油、不耗電、零污染等優(yōu)點(diǎn)．特別強(qiáng)調(diào)空氣取之不絕、用之不盡，似乎有助于解決人類的環(huán)境污染和能源困境等．

然而，即使日新月異的新技術(shù)發(fā)展也必然受制于物理基本原理的約束．下面從熱力學(xué)原理的角度出發(fā)，從熱功轉(zhuǎn)換效率的角度，分析純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用性．

1 熱力學(xué)第一定律及熱功轉(zhuǎn)換效率

大學(xué)物理熱力學(xué)部分普遍包括熱力學(xué)第一定律、第二定律、多種準(zhǔn)靜態(tài)過程，以及循環(huán)過程熱功效率的計(jì)算方法等介紹[2]．

其中，熱力學(xué)第一定律是關(guān)于熱功轉(zhuǎn)換的能量守恒和轉(zhuǎn)化定律，即系統(tǒng)吸收的熱量一部分用于增加內(nèi)能，一部分用于對(duì)外做功

Q=ΔE+A

而無論是做循環(huán)過程，還是單一的準(zhǔn)靜態(tài)過程，熱機(jī)的目的都是對(duì)外做功，而付出的代價(jià)就是要從外界吸收熱量，因此衡量熱機(jī)效率的公式均為

式中A為系統(tǒng)對(duì)外界做的凈功；Q為系統(tǒng)從外界吸收的總熱量.

課本中計(jì)算的準(zhǔn)靜態(tài)過程(如多種等值過程)或循環(huán)過程(如卡諾循環(huán))的理論效率，往往并沒有考慮許多實(shí)際的能耗因素，如氣體膨脹時(shí)活塞與器壁之間的摩擦損耗，氣體膨脹降壓到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力時(shí)，氣體不能再膨脹而存在殘氣能量損耗等．因此實(shí)際的效率要遠(yuǎn)低于理論值．

2 熱力學(xué)定律的定性與定量分析

從熱力學(xué)理論角度來看，純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的所謂“能解決人類環(huán)境污染、能源困境”的夸張描述，明顯是媒體人為抓眼球而故弄玄虛．如從熱力學(xué)第一定律角度定性來看，空氣是不可能提供能源的．壓縮空氣需要消耗電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī)做功而損耗能量，然后將能量儲(chǔ)存在高壓氣體中，再通過熱功轉(zhuǎn)化將熱量轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功，驅(qū)動(dòng)汽車前進(jìn)．因此，這種壓縮空氣驅(qū)動(dòng)的汽車其實(shí)是把電能轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為對(duì)外做功的過程．

此外，結(jié)合熱力學(xué)理論中的熱功轉(zhuǎn)化效率和文獻(xiàn)查閱的目前技術(shù)能達(dá)到的純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的技術(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)，可定量分析這種純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用性．

例如，已知高壓儲(chǔ)存箱的容積V1=0.2 m3[1]，假設(shè)高壓氣體可充壓到p1=30 MPa=3×107Pa[3,4]．按照熱力學(xué)過程中熱功轉(zhuǎn)換效率最高的等溫膨脹過程(η=100%)計(jì)算，微型汽車向外界做功為

p1V1=pV

式中V0為高壓氣體在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1×105Pa)下的體積

則

以江淮JAC第三代純電動(dòng)汽車為例，充電10%需要1 h，耗電能2度，理想狀態(tài)下可行駛13 km．假設(shè)純電動(dòng)汽車的熱功效率為90%(即充入的電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能并用于對(duì)外做功的效率)．雖然純電動(dòng)汽車中的電池組比較重(如以可供小汽車行駛 100 km的磷酸鐵鋰電池為例，重量約為150～200 kg[5])，但占整車的重量(約2噸)大約十分之一．假設(shè)兩種車型對(duì)地面的摩擦力相近，則一輛200 L儲(chǔ)存箱高壓空氣驅(qū)動(dòng)的汽車最多可行駛

考慮到：

(1)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)氣體進(jìn)行膨脹過程中難免有摩擦等損失,設(shè)其傳能效率為90%[3]；

(2)實(shí)際上當(dāng)高壓氣罐內(nèi)壓力降到發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣壓力 3.34MPa 時(shí)，氣體不能再膨脹，存在約13%[3]的殘氣能量損耗；

(3)再考慮到汽車開出去后，還要留有足夠剩余能量能開回到加氣站加氣(設(shè)必須剩余10%能量)．因此這種純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)微型汽車最多可開約50 km，其實(shí)用性大打折扣．

3 討論

從以上熱功轉(zhuǎn)換效率的角度分析這種純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車，其實(shí)用性不強(qiáng)[3,4]．相關(guān)研究人員還提出擴(kuò)大高壓罐容積(如裝兩三只)，或提高充氣壓強(qiáng)來改進(jìn)做功容量，但這又給汽車可利用體積比、道路安全性等帶來挑戰(zhàn)．目前技術(shù)界普遍認(rèn)為，研發(fā)以壓縮空氣動(dòng)力和內(nèi)燃機(jī)結(jié)合在一起的氣動(dòng)混合動(dòng)力車型，才具有一定的實(shí)用可行性[6]．兩種驅(qū)動(dòng)模式根據(jù)汽車的行駛速度交替進(jìn)行，如當(dāng)駕駛員踩下油門時(shí)，高壓倉中的氮?dú)獗会尫挪⑷加屯迫胍簤喊l(fā)動(dòng)機(jī)(無二氧化碳排放)，驅(qū)動(dòng)車輛前進(jìn)；當(dāng)駕駛員剎車或松開油門時(shí)，液壓發(fā)動(dòng)機(jī)反向運(yùn)動(dòng)并將氮?dú)庵匦聣嚎s到高壓倉里．以此通過輔助燃油發(fā)動(dòng)機(jī)減少燃油消耗，降低二氧化碳排放和減輕污染．

大學(xué)物理熱力學(xué)部分介紹的理論與定律的發(fā)展歷史較為久遠(yuǎn)(如發(fā)現(xiàn)于1840年左右的熱力學(xué)第一定律，和1850～1851年克勞修斯和開爾文先后提出的熱力學(xué)第二定律等)，應(yīng)用的事例也比較古老(如1776年瓦特制造出的第一臺(tái)有實(shí)用價(jià)值的蒸汽機(jī)；1824年卡諾提出的卡諾定理，指明了工作在給定溫度范圍內(nèi)的熱機(jī)效率所能達(dá)到的極限等)，與現(xiàn)代科技前沿的聯(lián)系較少．課程教學(xué)中教師多是紙上談兵，學(xué)生學(xué)習(xí)也深感枯燥乏味．本工作結(jié)合熱力學(xué)中的熱功轉(zhuǎn)化效率理論，定量分析了新近熱炒的純壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的實(shí)用性．通過經(jīng)典熱力學(xué)理論聯(lián)系創(chuàng)新前沿的實(shí)例分析，增強(qiáng)了古老熱力學(xué)理論學(xué)習(xí)的新穎性和趣味性．

1 Can Compressed Air Drive The Next City Car?,2015.5http://www.hybridcars.com/can-compressed-air-drive-the-next-city-car/

2 程守洙，江之永.普通物理學(xué).北京：高等教育出版社，2006

3 高海洋,曹惠玲.壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車的全過程能效分析.液壓氣動(dòng)與密封,2009(1):27～30

4 俞小麗，元廣杰，沈瑜銘,等.氣動(dòng)汽車工作原理的理論分析.機(jī)械工程學(xué)報(bào),2002(9)：118～122

5 俞會(huì)根,施紹有.電動(dòng)汽車電池相關(guān)問題探討.北京汽車,2010(6):8～10

6 張濤.壓縮空氣驅(qū)動(dòng)汽車.科學(xué)大眾,2015(Z1):32～34