压缩空气动力汽车的基本原理和可行性分析

刘杰，周海民，付红，周化龙

（1.江苏建筑职业技术学院智能制造学院；2.徐州徐工汽车制造有限公司技术中心，江苏 徐州 221000）

近年来，社会经济快速发展，各个行业也实现了创新与进步，在发展的过程中都会关注到节能环保问题，汽车行业也不例外。截至2022 年6 月底，我国机动车保有量达4.06 亿辆，其中新能源汽车有1001 万辆，新能源汽车数量相对较少，环境问题依旧不容忽视。大力研发和发展新能源汽车技术是未来汽车发展的主要前景，这也是当前能源危机、环境污染问题有效处理的重要形式。

1 压缩空气动力汽车

压缩空气动力汽车的整体结构与普通燃油汽车相似，都是由电气、动力、传动等系统以及车身和底盘所构成，但是这两者的动力系统存在较大差异。压缩空气动力汽车的能量传递路线如图1 所示。将其动力系统看作一个整体，作为空气动力的整体系统，在此系统中包括空气动力所需要的所有装置，如传动系统、热交换器、减压装置、高压气罐以及辅助设备。所有增加压力的空气都被存储在高压气罐中，然后应用减压装置降低压力后转变为动力气体，为汽车提供动力，带动传动系统运转，完成汽车行驶。由于整体结构系统中除了动力系统以外，都与普通燃油汽车类似，对此只对压缩空气动力汽车的动力系统结构进行研究。

图1 压缩空气动力汽车能量传递路径示意图

1.1 气动发动机

在压缩空气动力汽车中，气动发动机是整个汽车的“心脏”，其原理比较简单，主要是由高压气罐中存储的高压气体驱动发动机缸体内的活塞运动进而驱动汽车前进，以此将气体的高压势能转变为机械能，推动汽车做工。这个能量转化属于物理反应，不会对外界环境造成任何的污染和破坏，转化过程较为稳定。当前研发设计出来的气动发动机基本都是按照这一原理，尽管形式较多，但是实质是一样的，如复式、叶片式、螺旋式的气动发动机。

1.2 高压气罐

在压缩空气动力汽车中，高压气罐的主要作用在于存储高压气体，是动力系统中存储能量的关键，价值等同于燃油汽车中的油箱。由于高压气罐需要承载压力较高的空气，其整体需要具备较高的抗压能力，因此，应用的材料相比油箱材料会更加严格，而且还要具有较少的质量和尺寸。

例如，e.Volution 汽车应用双缸压缩空气发动机来驱动，既能够单一地利用压缩后的空气作为动力，还能将其作为内燃发动机。一般高压气罐的制作材料是玻璃纤维材料或者是碳纤维材料，将压缩后的空气存储其中，罐内能够承受30MPa 的压力。e.Volution 汽车将储气罐安装在汽车底部，充满可容纳300L 的空气，支撑汽车行驶200km。

1.3 减压装置

大多数压缩空气动力汽车中高压气罐的承受压力与e.Volution 汽车一样，都为30MPa。但是，在气动发动机环节，需要的压力较低，在这种情况下就需要在二者之间设计一个降低空气压力的装置，也就是减压装置，以此为气动发动机运行起来有充足的低压空气提供保障。现在应用的减压装置一般是减压阀，也就是节流减压装置，能够起到降低压力的作用，而且利用这种装置能够保证减压稳定性输出，但是，在工作的过程中会产生较大的能量损失。同时，还可以采用容积式减压系统作为减压装置，这种装置在工作的过程中产生的能量损失较小。另外，经过研究后发现，相比单一层级的减压模式，设置两级减压模式的能量利用率会更高，工作稳定性更强。

1.4 热交换器

在压缩空气动力汽车的动力系统中，高压气罐中存储的高压空气在通过减压装置降低压力的过程中，温度会逐渐下降，进而对整体做功能力造成影响。对此，中间需要增加热交换器，为气动发动机提供热能，提升气体吸收环境的温度，而且设置热交换器还能有效提升气体膨胀时的做功能力。目前，主要应用固体壁面形式的热交换器，高温流体和低温流体之前有一个固体壁面，两种流体不接触实现热量传递。

1.5 辅助设备

压缩空气动力汽车的动力系统中应用辅助设备，主要是让整个动力更好地发挥出来，提升动力系统应用效率。辅助设备包括两大类别：（1）控制系统；（2）能量回收系统。前者包括温度传感器、压力传感器以及单片机等，后者主要是进行能量回收，包括气动发动机排出的高压气体，还有汽车制动过程中产生的能量等，从而提升整车能量利用率。

2 压缩空气动力汽车动力系统能量分析

压缩空气动力汽车的动力系统在工作时，发动机缸内的气体会快速膨胀，然后吸收热量，在这个过程中，气动发动机内的热量减少，机械能做功的能力也会受到影响。对于气体吸热膨胀而言，气体并没有与外界接触，也不会产生热量交换，这样一来，这种膨胀形式就属于等温和绝热膨胀中间的环节。因此，压缩空气动力汽车的动力系统能量分析如下：

式中，Pres为高压气罐的压力，一般取30MPa；Pout为排气压力，取0.1MPa；V 为气缸容积，一般取200L；K 为空气绝热系数，一般取1.4。

将这些数据带入两个公式中进行计算可以得出，等温膨胀做功W 是3.4×107（J），绝热膨胀做功W 是1.2×107（J）。对此，将热交换器和辅助装置应用于动力系统中，能够在一定程度上对气体膨胀所需能量进行补偿，促使气动发动机膨胀的过程中尽可能处于等温膨胀状态下，这样能够有效地提升气动发动机对外输出功的值。

3 压缩空气动力汽车行驶里程计算分析

汽车在行驶的过程中会产生滚动阻力，出现这种阻力的原因在于汽车轮胎和路面接触时，在压力作用下轮胎会下沉变形，进而产生阻力，也会影响做功效率，计算公式如下：

式中，m 为车的质量，kg；f 为摩擦阻力系数；α为道路坡度角，°。

汽车在行驶的过程中会产生空气阻力，出现这种阻力的原因在于，汽车向前行驶的方向上，由于空气速度与汽车速度不同，车身与空气分子发生碰撞，空气分子对车身产生反作用力，就是空气阻力，计算公式如下：

式中，Cd为空气阻力系数；ρ 为空气密度，kg/m3，一般取值为1.29kg/m3；A 为迎风面积，m2；ur为汽车行驶过程中的相对速度，m/s。

若汽车在无风状况下行驶，空气阻力计算公式如下：

式中，ua为压缩空气动力汽车的行驶速度，km/h。

压缩空气动力汽车在坡道上行驶的过程中，相比正常道路有一定的难度，这是由于在坡道方向上在重力的影响下，汽车会受到一个坡道阻力，计算公式如下：

式中，α 为道路坡道角，°。

压缩空气动力汽车在加速行驶的过程中，会受到汽车自身质量产生的一个惯性力，这个惯性力也就是汽车的加速阻力，其计算公式如下：

式中，δ 为汽车的旋转质量，这一质量与飞轮和车轮之间的转动惯量、传动系统的传动比有关。对于普通燃油汽车而言，汽车旋转质量换算系数有固定的计算公式，而对于压缩空气动力汽车而言，其气动发动机与燃油发动机存在明显差异，对此δ 的计算公式也会有所不同，具体计算如下：

式中，Iw为车轮的旋转质量，kg。

正常一辆汽车在道路上行驶过程中，受到的阻力包括地面摩擦阻力以及空气阻力，假如需要爬坡，那么受到的阻力还会加上坡度阻力以及汽车增加速度爬坡的加速阻力。

总体阻力为：

式中，Ff为汽车行驶时受到的地面摩擦力，N；Fw为汽车行驶时受到的空气阻力，N；Fi为汽车行驶时受到的坡度阻力，N；Fj为汽车行驶时受到的加速阻力，N。

汽车在水平、无障碍的道路上匀速行驶时，只会受到空气阻力和地面摩擦力，假如整车质量m 是800kg，A 为1.7m2，f 为0.013，Cd为0.315，机械传动系数η为0.9。那么摩擦阻力Ff为101.92N，Fw为58.98N，那么F阻为160.9N。

假如压缩空气动力汽车采用60km/h 的速度行驶，结合公式（10）对两种热交换方式下汽车的行驶里程进行计算，最终获取S等为190.18km，S绝为67.1km。绝热膨胀方式计算的结果S绝远远小于等温膨胀方式计算的结果S等，对此就需要在气动发动机上安装热交换器，促使发动机处于等温交换情况下，才能促使压缩空气动力汽车行驶的里程更远。

4 压缩空气动力汽车经济性分析

压缩空气动力汽车经济性分析的标准较多，本文采取相同费用下行驶里程远近进行计算，并对比相同里程下燃油的消费情况。选择压缩空气动力汽车的高压气罐为三级，排气量为220L/min，最高排气压力为35MPa，电机功率为4kW，电源电压为380V，气罐规格为30MPa、200L。

结合加载时间计算公式获取高压气罐注满空气的时间：

式中，T 为气罐注满空气的时间，min；P1为最终排气压力，MPa；P0为初始压力，MPa；V 为高压气罐容积，L；Vpai为排气量，L/min。

结合公式计算出高压气罐注满空气的时间为4.53h，假如电费价格为1 元/度，那么所需电费为18.12 元。按照国家规定峰谷电价不同，假如合理用电，可以将费用控制在10 元以内。

假设92#汽油价格为7.0 元/升，对于排量较小的汽车而言，每一百公里的耗油量为6.7 升，按照电费18.12 元购买汽油可以购买2.588 升，供燃油汽车行驶距离为38.6公里，远远低于压缩空气动力汽车行驶距离，由此可以看出，后者更加具有经济性。

5 结语

总之，对于压缩空气动力汽车而言，有着广阔的应用前景，空气经过压缩机压缩后再通过过滤器等设备净化后就能应用，结构比较简单，尺寸小，质量较轻，生产费用和后期维护费用较低，可以充分应用现在的汽车设计和制造技术、压缩空气技术等，相比燃油汽车的经济性更高，对此压缩空气动力汽车具有一定的可行性。