压缩空气动力汽车的研究现状与节能环保分析

李国豪　张　宇　王　麟　屈　斌　张　宁

(1国网天津市电力公司电力科学研究院天津3003842国网天津市电力公司调度控制中心天津300010)

压缩空气动力汽车的研究现状与节能环保分析

李国豪1张宇1王麟2屈斌1张宁1

(1国网天津市电力公司电力科学研究院天津3003842国网天津市电力公司调度控制中心天津300010)

压缩空气动力汽车是能真正实现“零排放”的新能源汽车，本文简要介绍了压缩空气动力汽车的基本原理与国内外研究现状，并对压缩空气动力汽车与传统能源、其他新能源汽车的节能环保性能方面的优势与不足进行了分析对比。

压缩空气动力汽车；新能源；节能环保

1　引言

截至2015年6月，我国汽车保有量突破2.7亿辆，在全国开展空气质量新标准监测的城市中不达标率为90%，发展新能源汽车技术是解决能源危机与环境污染问题的重要举措。压缩空气动力汽车拥有较好的性能与“零排放”的优势，发展前景广阔。

2　压缩空气动力汽车

2.1压缩空气动力发动机

压缩空气动力发动机是将压缩空气的压力势能转换为旋转机械能的装置。压缩空气动力发动机的结构有往复活塞式、旋转活塞式和气马达型等多种结构形式，目前往复活塞式结构的应用较多[1]。

介绍一个结构较为简单的往复活塞式二冲程压缩空气动力发动机的工作过程，结构简图如图1所示。当活塞位于上止点时，进气口打开使高压空气进入气缸膨胀做功，直到活塞下行至下止点，排气口打开同时活塞上行排气，活塞到达上止点排气口关闭，完成一个工作循环。

图1　往复活塞式二冲程压缩空气动力发动机结构简图

2.2压缩空气动力汽车动力系统

压缩空气动力汽车的动力系统的工作原理如图2所示，储存在气罐的中高压压缩空气经过压力调节器减至工作压力,通过热交换器吸热升温后,由配气系统控制进入做功机进行能量转换,把压能转换成机械能。通过改变进入空气动力发动机的气体压力值,可以控制发动机的动力特性[2]。

图2　压缩空气动力汽车的动力系统

2.3压缩空气动力汽车能量分析

压缩空气动力汽车通过调节压力或流量来调整输出功率，传动系的机械损失较传统发动机有较大减少，但是排气过程中残余气体中的压力势能是影响整车效率的决定性因素，采用压力分级控制和串联动力分配的方法可以减少残余废气中的能量。另外通过节流减压方法将高压气体减压为做功介质时有一定损失，可以通过容积减压法来转移部分减压损失[3]。通过理论计算，压缩空气动力汽车行驶150km，压缩空气的使用效率可达68%[1]。

3　压缩空气动力汽车的研究现状

3.1国外研究现状

世界上第一辆压缩空气动力汽车是由法国设计师Guy·Nègre领导团队成功设计出来的，1991年Guy°Nègre获得了压缩空气动力汽车的专利并创建MDI公司[4]。MDI公司目前设计的气动汽车发动机采用了两级膨胀方式，即气罐的高压气体先进入第一个小缸中按多变过程膨胀推动活塞做功，然后进入第二个较大气缸继续膨胀推动活塞做功，因此提高了气动汽车的整体效率[5]。

图3　AirPod空气动力汽车及压缩空气发动机

紧随其后的是印度的一家汽车制造商Tata motors，该车厂推出了一款名为Airpod压缩空气动力汽车，其特殊引擎由Motor Devel°opmentInternational开发，它的整车及发动机车如图3。车上附设有175 L的气罐，所用的空气可以借助外泵或者行车时由电动马达完成充气。Tata motors车厂表示，目前“空气小车”已进入原型测试第二阶段，未来将有四门轿车、敞篷、卡车与公交车车款[6]。

2014年初法国汽车巨头标致雪铁龙公司的穆卡德姆和搭档安德雷·亚尔斯两位工程师将汽油发动机与液压系统这两种成熟可靠的技术组合，设计开发了“空气混合动力系统”，这种系统有望在2016年应用到所有标致雪铁龙的微车产品中[7]。若此车型正式上市，有望使压缩空气动力汽车真正进入人们视野。

除以上两个国家以外，美国、韩国、墨西哥、英国和澳大利亚等国也在加快压缩空气动力汽车的研发及商业化进程。在澳大利亚的各大物流中心、马路，乃至老人车，都在使用压缩空气动力发动机作为动力源。墨西哥城也曾出资购置了4万辆气动出租车。

3.2国内研究现状

相比国外，我国国内压缩空气动力汽车的研究水平较为落后，多数技术还处于理论研究阶段。以浙江大学气动汽车和合肥工业大学为代表的高校着力进行压缩空气动力发动机工作过程数值仿真、台架性能实验及进气相位等方面的研究工作[8]。一些致力于新能源汽车开发的公司与实验室也在做该方面的研发工作。

以合肥工业大学开展的对气动发动机的研究工作为例。在第一阶段，将R175柴油机成功改装成二冲程气动发动机，保留了原有的凸轮配气方式，但是在高速工况时，因配气相位不可变，导致

进气量不足，发动机输出功率也随之下降；在第二阶段，对该气动发动机进行了完善，改装成四冲程发动机，采用高速电磁阀控制进、排气，从而实现可改变进气时刻的电控喷射，但由于电磁阀进气截面积小，缸内最高压力只有几个大气压，导致输出功率不足[9]。值得一提的是在2014年初的北京科博会上，祥天科立泰空气动力机械有限公司展示了一个利用压缩空气驱动的公交车。这款新能源汽车续航里程在200km左右，最高时速可达140km/h，

而行驶成本大约为每100km1元钱。

4　压缩空气动力汽车的节能环保分析

4.1与内燃机车对比

目前市场占有率较大的汽车种类仍然是装载有内燃机的汽车，其中燃烧介质以汽油柴油等化石燃料居多。虽然随着电控等先进技术的广泛使用使内燃机的效率显著提升，但是汽柴油机效率大约只有35%～40%。反观压缩空气动力汽车，整车效率较高，且具有较大的进步空间。传统内燃机“化学能-热能-机械能”的能量转换较为复杂，能量损失势必要比压缩空气动力发动机“压缩空气压力势能-机械能”的能量转换大，可见在不考虑压缩空气制取的前提下，压缩空气动力汽车的节能性能是优于传统内燃机车的。

内燃机车的大量使用加剧了世界环境污染,在城市大气中有82%的一氧化碳、48%的氮氧化物、58%的碳氢和8%的可吸入颗粒来自于汽车尾气,此外汽车噪声造成了城市环境噪声污染。压缩空气动力汽车排出的尾气为常温空气，整车不存在环境污染问题，尾气温度低，成分简单，降低了排气降噪方面的设计难度，噪声污染也极小。

总体来说在不考虑压缩空气制取的前提下，压缩空气动力汽车在节能环保性能方面优于内燃机车，具有较为广阔的前景，传统内燃机车是注定要在几十年内退出历史舞台的，新能源汽车将会是汽车行业的希望。

4.2与电池驱动电动汽车对比

受国家政策及技术水平影响，目前发展较为迅速最广为人知的新能源汽车类型为电池驱动电动汽车，它是由蓄电池存储的电能驱动电动机而获取动力的。这种汽车在行驶过程中没有内燃机的燃烧过程、零排放，噪声低，能量转化效率高，可以有效减少对石油资源的依赖[10]。从整车效率来看，电池驱动电动汽车效率目前是高于压缩空气动力汽车的，但由于受车用电池的制约,其续航能力较差,汽车的启动特性也不够理想,而且电池充电时间长、寿命短、造价贵,虽然压缩空气动力汽车也有类似的缺点，但是压缩空气动力汽车的充气过程明显快于蓄电池的充电，生活效率在当前的快节奏城市是十分重要的，提供便捷的充能技术也是解决续航里程的一种重要方式。

两种汽车都是真正的“零排放”汽车，但是对于环境保护而言不能只看到“尾气”，也要看到汽车本身的潜在污染。蓄电池的造价高、存储电量低、充电时间长，部分种类电池还存在爆炸危险，目前使用较多的蓄电池有铅酸电池、锂电池等，电池含有的部分材料会对土壤、水源造成极大的污染，是极为不环保的。压缩空气动力汽车的气罐采用合金钢、碳纤维等材料具有无污染可重复利用的特性，以及良好的环保性能，低廉的造价。综上所述压缩空气动力汽车的环保性能明显优于电池驱动电动车。

4.3与其他新能源汽车对比

内燃机引发的环境问题使液化石油气、天然气、醇类等代用燃料汽车的使用受到了关注，代用燃料汽车通过对原有内燃机车做些许改装即可实现功能，其尾气排放要优于传统内燃机，但是大部分代用燃料汽车在动力性、经济性上不及内燃机车[11]，环保性更是无法同压缩空气动力汽车相比。

混合动力汽车是配置两种甚至多种动力源的汽车，目前较为多见的是油电混合动力汽车，其动力系统较为复杂，需要同时配备内燃机及电动汽车的组件，整车造价高昂、车体自重较大，一般认为它是电动汽车技术尚不完善时期的过度车型[12]。复杂的动力系统会影响其机械效率，内燃机与电池的同时使用从某方面来说反而加重了污染。相比而言油电混合反而不如油气混合即将电动部分更换为压缩空气动力，压缩空气动力发动机可以通过对传统内燃机的改造实现，两种动力可以用同一套机械系统，更为节能环保。

燃料电池汽车是电动汽车的另一种类，与电池驱动电动汽车不同的是电池储能原理，通过将燃料与氧化剂加入燃料电池内部进行发电。其造价成本太高，需要其他方式储存燃料及氧化剂，实际效率达不到理论效率等问题严重制约其发展[13]。

5　结语

世界各国对压缩空气动力汽车的研究有了飞速发展，虽然存在一些技术难题制约其发展，但是由于节能环保特性较好的特点发展前景十分广阔，通过对传统内燃机进行改造实现动力源的转换，节约了资源的同时还保护了环境。备受争议的压缩空气源问题除运动电能制取外还可以通过风能等进行制取，通过优化的加气站的普通充气速度（除更换储气罐外）可以接近传统内燃机车加满油箱速度[14]。压缩空气动力汽车的节能性能优于大部分种类汽车，环保性能优于所有种类汽车，符合我国可持续发展的国家战略，随着环境问题的日益严峻与科学技术水平的提高，压缩空气动力汽车将得到更为广泛的应用。

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[3]左承基,钱叶剑,欧阳明高,杨福源.气动发动机能量转移系统分析[J].中国机械工程,2007,07:870-873.

[4]Knowlen C,et al.Quasi-isothermal expansion engines for liquidnitrogen automotive propulsion[J].SAE Paper,No.972649,1997.

[5]Williams J，Knowlen C，Mattick A T et al.Expansion Engine for Liquid Nitrogen Automotive Propulsion.SAE 972649,1997.

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