伍賽特

上海汽車集團(tuán)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(yán)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(dòng)汽車、生物燃料汽車、氫燃料汽車外，壓縮空氣動(dòng)力汽車目前也逐漸進(jìn)入人們的視野。

1 壓縮空氣動(dòng)力汽車

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

壓縮空氣動(dòng)力汽車的工作原理與傳統(tǒng)汽車基本類似，為其提供動(dòng)力來源的壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)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(fù)活塞式，旋轉(zhuǎn)活塞等形式[4]。其動(dòng)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(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)

壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)（氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)）是氣動(dòng)汽車的核心部件，減壓到工作壓力的高壓空氣進(jìn)入氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)，其包括機(jī)體、氣缸、活塞、連桿、曲軸及配氣機(jī)構(gòu)等部分。氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作循環(huán)為簡單的兩沖程，即高壓壓縮空氣進(jìn)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(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作特性為起動(dòng)及低速時(shí)的扭矩較高，隨發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)氣閥打開后，氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)即可投入運(yùn)轉(zhuǎn)并輸出最大扭矩[6-7]，直接驅(qū)動(dòng)汽車起動(dòng)行駛。

3 壓縮空氣動(dòng)力汽車的特點(diǎn)

壓縮空氣動(dòng)力汽車的主要特點(diǎn)如下：

（1）無污染排放；

（2）結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、低維護(hù)，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(dá)30 Mpa，存在著高壓氣體的安全性問題。

4 壓縮空氣動(dòng)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(dòng)的三輪車。

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

1991年，法國設(shè)計(jì)師Guy Negre獲得了壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)的專利，并創(chuàng)建了MDI公司[8]。

1997年，美國華盛頓大學(xué)研制了第一臺(tái)以液氮作為動(dòng)力的氣動(dòng)原型汽車[9]。

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

1999年年底，中國浙江大學(xué)氣動(dòng)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(yàn)。

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

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

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

2013年法國標(biāo)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(dòng)力汽車，名為hybird air。

5 壓縮空氣動(dòng)力汽車的應(yīng)用前景展望

氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)由于內(nèi)部無燃燒過程，其機(jī)體并不承受高溫及高壓，因此無需專門設(shè)置冷卻系統(tǒng)，整機(jī)結(jié)構(gòu)簡易、質(zhì)量輕小，有效降低了其制造及維護(hù)成本。同時(shí)其扭矩特性較為優(yōu)越，具備低速高扭矩的特點(diǎn)，可直接啟動(dòng)。相較于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車“化學(xué)能→熱能→機(jī)械能”的能量轉(zhuǎn)換過程，壓縮空氣動(dòng)力汽車由于無需經(jīng)過燃燒過程，通過儲(chǔ)存的壓縮空氣壓力勢(shì)能經(jīng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)換即可輸出機(jī)械能[11]，其能量損失比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)更小，整車效率較高，更具節(jié)能效益。而經(jīng)氣動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shì)十分明顯[12]。

相比于電動(dòng)汽車，壓縮空氣動(dòng)力汽車在效率方面并不占據(jù)優(yōu)勢(shì)，但電動(dòng)汽車自身固有的較高成本及充電時(shí)間較長等問題一定程度上限制了其應(yīng)用。 通常而言，即使不考慮更換儲(chǔ)氣罐的方式，壓縮空氣動(dòng)力汽車補(bǔ)充壓縮空氣的時(shí)間通常也要短于電動(dòng)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(dòng)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(xué)成分會(huì)對(duì)水體、土壤等造成較為嚴(yán)重的污染[13]。反觀壓縮空氣動(dòng)力汽車則無污染之虞，且其氣罐等設(shè)備可多次重復(fù)利用。

壓縮空氣動(dòng)力汽車在節(jié)能與環(huán)保方面的優(yōu)勢(shì)可謂獨(dú)樹一幟，既不產(chǎn)生排放，同時(shí)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(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)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(dòng)力汽車的主要問題

（1）壓縮空氣動(dòng)力汽車自身的劣勢(shì)也同樣明顯，壓縮空氣的儲(chǔ)存壓力可達(dá)30Mpa及以上，對(duì)儲(chǔ)氣罐的尺寸規(guī)格參數(shù)要求也較高，同時(shí)對(duì)壓縮空氣的儲(chǔ)存及攜帶遠(yuǎn)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(biāo)，在如此高的儲(chǔ)氣壓力下，一旦儲(chǔ)氣罐發(fā)生物理性爆炸，后果不堪設(shè)想。

（3）目前的壓縮空氣動(dòng)力汽車的續(xù)航里程和動(dòng)力性能均較有限，無法與傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車相提并論。而壓縮空氣的儲(chǔ)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(dòng)力性能。

（4）就基建設(shè)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(dòng)力汽車有著清潔、高效、成本較低、扭矩特性優(yōu)異、可重復(fù)利用的顯著優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在動(dòng)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(guān)基建設(shè)施仍未普及等一系列缺陷。但不可否認(rèn)，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(dòng)力汽車必將在公路運(yùn)輸領(lǐng)域日漸嶄露頭角。