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壓縮空氣動力汽車
編輯:薩曼機械(上海)有限公司  時間:2019-04-09

1壓縮空氣動力汽車1.1壓縮空氣動力汽車的原理壓縮空氣動力汽車(Air-PoweredVehicle,APV)通常稱為氣動汽車。它使用高壓壓縮空氣為動力源,空氣作為介質,汽車運行時將壓縮空氣存儲的壓力能轉化為其它形式的機械能(汽車動能)。

  以液態空氣和液氮等吸熱膨脹作功為動力的其它氣體動力汽車也應屬于氣動汽車的范疇1氣動汽車工作原理與傳統汽車最大差別在于汽車動力來源的不同其發動機的總體結構形式還是可以借鑒傳統汽車現有的結構模式,主要還是往復活塞式、旋轉活塞式等形式。、分別為法國MDI公司出品的壓縮空氣動力和內燃機動力的混合動力汽車發動機的外觀圖和結構示意圖。

  燒室及其相應裝置去除,即成為純粹以壓縮空氣為動力的發動機。

  空氣注射器X膨脹排活迤進氣壓縮活塞壓縮空氣動力發動機的結構也可以有往復活塞式、旋轉活塞式和氣馬達型等多種結構形式,目前只有往復活塞式結構的報道。

  壓縮空氣動力發動機的動力分配方式有串聯方式、并聯方式和串、并聯混合方式。以往復活塞式結構為例,所示的動力分配為串聯方式,缸與缸間的空氣動力是串接的,上一缸的剩余壓力是下一缸的始動力。該方式的下級作用缸的結構尺寸較大,但動力利用率較高熱交換較充分。為動力分配的并聯方式其缸與缸之間的空氣動力是并接的不同缸的初始動力相同。并聯方式的缸的結構尺寸相同勁力輸出平穩,但剩余壓力稍高。

  構成,分別是進氣壓縮缸、膨脹排氣缸和一個球型的定容燃燒室。它通過電控裝置進行燃料燃燒動力和壓縮空氣動力的切換。若將中的球型定容燃sn儲壓力,提高機械效率減小排氣損失和減壓損失,進行能量回收和能量的充分利用。

  現正在南非約翰內斯堡、墨西哥城推廣基于壓縮空氣動力發動機的城市用出租車。

  汽車技術、中儲氣瓶的高壓壓縮空氣經減壓后,通過熱交換器吸熱進入作用缸推動負載運動。合理設計串、并聯通道的壓力切換,以及各缸在曲軸上的轉角相位關系;將可以獲得發動機平穩的動力輸出。通過調節進入作用缸的氣體壓力和流量,可以改變發動機的動力特性。

  1.2能量分析對壓縮空氣動力汽車的使用性能要求與傳統汽車一樣決定壓縮空氣動力汽車前景的關鍵問題是汽車的整車效率問題。為此,需對壓縮空氣動力汽車進行能量分析。

  壓縮空氣動力汽車直接采用流量或壓力調節,傳動系的機械損失將有較大減少,雖無傳統汽車發動機的泵氣損失,但存在于壓縮空氣動力汽車發動機的殘存氣中的壓力損失(殘氣損失),將對整個壓縮空氣動力汽車的效率產生很大影響。采用壓力分級控制和串聯動力分配方式將會減少殘存氣中的能量同時采用汽車制動能的回收將會較大程度地解決壓縮空氣動力汽車整車效率問題。

  一般可假設在壓縮空氣動力汽車的動力控制過程中,氣體減壓作功時吸熱充分,并認為這一過程為等溫過程。由此可以計算分析整個過程釋放的能量。

  假定高壓氣體的壓力為30MPa、儲氣體積為300L,當壓縮空氣從30MPa壓力芫全等溫膨脹到0.1MPa時所能做的全部膨脹功為:(1)、式(2)及相應參數可計算出起始、終了狀態間的全部膨脹功為:假定儲氣罐質量為100kg,可求得常溫下對應的壓縮空氣的質量比能量約為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力發動機驅動某一款轎車,取其空氣阻力系數為0.25,迎風面積為1.7:2,整車裝備質量為700kg,載質量250kg,滾動摩擦系數為0.015,按平均時速60km/h計算需牽引力約為216N.定義壓縮空氣所做的有效膨脹功與壓縮空氣儲存的全部膨脹功之比為壓縮空氣的使用效率。并假設全部壓縮空氣等溫膨脹做功,汽車的機械傳動效率為0.85,當需汽車行駛150km時,由上述計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最優匹配參數。壓縮空氣使用效率為最大的變數需深入研究。隨著發動機結構優化、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不斷提高。

  壓縮空氣動力的質量比能量較燃料電池小較大部分蓄電池高,處于中等水平。但只要氣罐材料性能允許,該項指標會有較大幅度的提高。

  1.3壓縮空氣動力汽車的特點壓縮空氣動力汽車無燃料燃燒,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、儲存容易,介質來源方便、清潔,所需的電力容易獲取;充氣設備和社會基礎建設費用不高較容易建造。

  與傳統汽車相比其發動機工作時無燃料燃燒過程,所以發動機對材料要求低,結構簡單、尺寸小、質量輕、造價低,設計和制造容易。整車使用維護和生產費用低,且可利用現有氣動技術、汽車設計和制造技術研制和開發周期短。

  對環境污染要求特別嚴格的城市中心、重點旅游區、自然保護區,以及對噪聲要求高或室內使用的中小型工具、運輸工具、軍用潛艇等場合壓縮空氣動力發動機具有很大的市場潛力和廣泛的應用前景。

  2國內外研究工作綜述空氣動力發動機的專利,并加盟MDI公司,于1998年推出了第一臺壓縮空氣動力汽車樣車。MDI公司目前國外的研究工作主要集中在法國工程師GuryN-gre領導的研究小組,他們已獲得相關的專利20余項。為他們設計的名為“TOP”的壓縮空氣動力出租車。

  據報道,此型號汽車以一罐300 430MPa壓力的壓縮空氣,可以行駛150km以上,最大時速達美國人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行相關的研究。

  美國華盛頓大學于1997年研制了一臺以液氮為動力的氣動原型汽車。其基本工作原理與壓縮空氣動力汽車相同,只是動力來源于液態氮受熱蒸發后氣體膨脹做功。液氮無需使用高壓罐儲存,安全性較好。但液氮的制取和存儲需很低的溫度,制氮成本不低貯氮費用較大。使用過程中存在氮氣逸氣量大、液氮汽化的熱交換量也很大等問題。

  國內近來也有人提出液態空氣動力汽車的設想,但其同樣存在液氮氣體動力汽車的問題。

  目前國內尚無壓縮空氣動力汽車的研究報道。

  浙江大學的氣動汽車課題組已在氣動摩托車動力平臺上分別進行了凸輪配氣、閥配氣的單缸和雙缸壓縮空氣動力發動機的實驗研究進行了壓縮空氣動力發動機原理性實驗,已取得了一定的成果。

  3汽車特性對比分析為了進一步說明以壓縮空氣為動力的氣動汽車的特點,以人們普遍看好的氪燃料電池電動汽車作為全面的比較對象表1列出了這兩種汽車常用的使用特性對比情況。

  壓縮空氣動力汽車在制造、使用、安全性等方面都具有很強的實用性和競爭力,特別是其具有良好的環保特性和較低的制造成本。表中的“能量密度”和“能量轉化率”項,表明了壓縮空氣動力汽車的不足之外也是限制壓縮空氣動力汽車廣泛應用的最主要的兩項指標。但“能量密度”可以通過儲氣罐性能的提高而提高,能量轉化率“可通過合理地設計氣動回路和進行能量回收來提高。

  表1壓縮空氣動力汽車與氫燃料電池電動汽車特性比較特性氨燃料電池電動汽車壓縮空氣動力汽車能源轉化方式化學能!電能!機械能電能!壓縮能!機械能排放物胝壓控氣能量轉化率局較高發動機工作溫度中、局溫環境溫度前期耗能過程制氨、儲氨制音高壓空氣控制程度簡單較簡單制造成本局低維護成本局低使用成本灌氨、儲氨成本較高充氣方便、成本低聲小熱輻射較大無起動特性較好壽命較長長充氣時間較長短動力能量密度大較大能源存儲安全性較差較好4結束語壓縮空氣動力汽車是可行的具有突出的環保特性符合汽車“綠色設計”的時代精神。

  壓縮空氣動力汽車的實用化尚有許多工作要做主要集中在如下幾個方面:壓縮空氣動力汽車的效率和氣動系統的控制。

  壓縮空氣動力汽車發動機原理研究及結構優化設計。

  C.發動機氣動動力分配形式的研究。

  壓縮空氣容積式減壓控制技術。

  氣動汽車能量回收系統研究。

  其它氣動汽車發動機結構形式的探索。

  高壓壓縮空氣貯放裝置的設計與選用。


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