壓縮空氣動(dòng)力汽車的可行性研究

　　壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車的可行性研究許宏博士許宏介紹了壓縮空氣動(dòng)力汽車的工作原理(yuán lǐ)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其“零污染”特性，分析了壓縮空氣動(dòng)力的能量(energy)轉(zhuǎn)換過程，并與常用電動(dòng)車車載電池（Battery）特性進(jìn)行了比較介紹了壓縮空氣動(dòng)力汽車的動(dòng)力分配方式和整車特性以及壓縮空氣的存儲(chǔ)特性認(rèn)為壓縮空氣動(dòng)力汽車在原理上是可行的，技術(shù)上可實(shí)現(xiàn)，是-種無污染、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造和使用方便(，并有廣闊應(yīng)用前景的新型動(dòng)力汽車。
　　1環(huán)境保護(hù)汽車的進(jìn)展從20世紀(jì)30年代以蓄電池作為動(dòng)力的EV電動(dòng)車到現(xiàn)在的HEV復(fù)合動(dòng)力電動(dòng)汽車及代用燃料汽車，汽車用能源的研究與開發(fā)從未間斷代用燃料汽車，如天然氣（CNGLNG）汽車、醇類汽車、二甲醚（DME）汽車等仍然有排放污染和熱效應(yīng)，有些燃料還有毒性，有些燃料燃燒(combustion)控制困難電動(dòng)汽車行駛中無污染排放、噪聲低能量(energy)轉(zhuǎn)換效率高，但電池驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車受制于車載電池，在比功率、循環(huán)壽命、充放電性能、造價(jià)和安全性等方面一時(shí)難以達(dá)到實(shí)用的程度，同時(shí)，電池本身也存在嚴(yán)重的二次污染混合動(dòng)力電動(dòng)車具有電池電動(dòng)車和內(nèi)燃機(jī)汽車的優(yōu)點(diǎn)，但仍存在排放問題(Emerson)，由于有2套動(dòng)力裝置，其驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)(system)更復(fù)雜燃料電池電動(dòng)車是人們寄予厚望的，目前認(rèn)為最有發(fā)展前途的是質(zhì)子交換膜燃料電池（DEMFC），可實(shí)現(xiàn)零排放，能量轉(zhuǎn)換率高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但燃料電池的制造成本(cost)比較高，氫氣的安全存儲(chǔ)、制備和灌裝都有許多問題，制約了這種電動(dòng)車輛(Vehicle)的發(fā)展和實(shí)用化太陽(sun)能電動(dòng)車仍需減小電池體積和提高光電轉(zhuǎn)換效率飛輪電池技術(shù)尚未取得突破性進(jìn)展人們期待著一種沒有污染用之不竭的新型：2002-基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)(science)基金-福特基金資助項(xiàng)目（50122115）能源的出現(xiàn)，壓縮空氣能源正好滿足這種要求2壓縮空氣動(dòng)力汽車的原理壓縮空氣動(dòng)力汽車使用高壓壓縮空氣為動(dòng)力源，空氣作為介質(zhì)，汽車運(yùn)行時(shí)將壓縮空氣存儲(chǔ)的壓力(pressure)能轉(zhuǎn)換為其它形式的機(jī)械能以液態(tài)空氣和液氮吸熱后膨脹做功為動(dòng)力的其它氣體(gas)動(dòng)力汽車也屬于氣動(dòng)汽車范疇氣動(dòng)汽車工作原理與傳統(tǒng)(Tradition)汽車基本相同，最大差別在于汽車動(dòng)力來源的不同，其發(fā)動(dòng)機(jī)總體結(jié)構(gòu)形式仍可借鑒傳統(tǒng)汽車的模式為法國(guó)MDI出品的壓縮空氣動(dòng)力和內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力的混合動(dòng)力汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的外觀圖，為其結(jié)構(gòu)示意圖發(fā)動(dòng)機(jī)由進(jìn)氣壓縮缸、膨脹排氣缸和球型定容燃燒室組成，通過電控裝置進(jìn)行燃料動(dòng)力和壓縮空氣動(dòng)力的切換若將中的球型定容燃燒室及其相應(yīng)裝置篩除，即成為純粹以壓縮空氣為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機(jī)，合理安排進(jìn)氣相位，各活塞將在壓縮空氣的推動(dòng)下往復(fù)運(yùn)動(dòng)壓(Dynamic)縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)有旋轉(zhuǎn)(Rotating)活塞式和氣馬達(dá)型等多種結(jié)構(gòu)形式，目前只有往復(fù)活塞式結(jié)構(gòu)的報(bào)道為了有更好的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)特性，一般都設(shè)計(jì)為多缸形式壓縮空氣動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，儲(chǔ)氣瓶中的高壓壓縮空氣經(jīng)減壓后，通過熱交換器吸熱，再進(jìn)入作用缸推動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)進(jìn)入作用缸的氣體壓力和流量以調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力特性改變缸徑、缸數(shù)和布局可以得到多種形式的發(fā)動(dòng)機(jī)3壓縮空氣動(dòng)力汽車的可行性分析3.1能量分析對(duì)壓縮空氣動(dòng)力汽車使用性能的要求與常規(guī)汽車一樣，決定壓縮空氣動(dòng)力汽車前景(front view)的關(guān)鍵是如何提高壓縮空氣的能量利用率(availability)Z即實(shí)際壓縮空氣所做的膨脹功與壓縮空氣中存儲(chǔ)的壓力能的比。
　　空氣由高壓到低壓的減壓過程，圖中曲線12分別表示壓縮空氣的等溫、絕熱膨脹過程，實(shí)際的減壓膨脹做功過程介于曲線12之間。昆山空壓機(jī)是回轉(zhuǎn)容積式壓縮機(jī)，在其中兩個(gè)帶有螺旋型齒輪的轉(zhuǎn)子相互嚙合，使兩個(gè)轉(zhuǎn)子嚙合處體積由大變小，從而將氣體壓縮并排出。圖中PiVi―起始點(diǎn)氣體(gas)壓力、體積；A為起始點(diǎn)，BCDE為相應(yīng)的分級(jí)壓力控制時(shí)的壓力分級(jí)點(diǎn)，在這些點(diǎn)處有等容吸熱過程，如B―C和E等曲線1與坐標(biāo)ViV2間所包含的面積表示壓縮空氣儲(chǔ)存的能量釋放所能轉(zhuǎn)變的氣體膨脹功。
　　假定高壓氣罐的充氣壓力為1儲(chǔ)氣體積為Vi，按曲線1的理想氣體完全等溫膨脹(inflate)到常壓時(shí)所能做的全部膨脹功為膨脹后的終了狀態(tài)為（P2，V'2）法國(guó)MDI發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)為起始儲(chǔ)氣壓力p 300L，終了室溫狀態(tài)下的壓力戶2=0.1MPa，由41鎳鎘電池55鎳氫(Hydrogen)電池80鈉硫電池100鈉氯化鎳電池120鋰離子電池150鋰聚合物電池115鋅（Zinc）空氣電池180鋁（Al)空氣電池200壓縮空氣（常溫，30MPa，300L）61目前德、美等國(guó)已有超高壓充氣設(shè)備，我國(guó)也能生產(chǎn)鋁合金(alloy)內(nèi)膽碳纖維纏繞的超高壓儲(chǔ)氣罐。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對(duì)一級(jí)壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組，還有一路對(duì)油冷卻器進(jìn)行冷卻。制罐工藝的改進(jìn)將使存儲(chǔ)壓力進(jìn)一步提高，比能量將隨之提高。
　　假定工作溫度為27°C，可求得體積為300L壓力為30MPa的壓縮(compression)空氣的質(zhì)量為104.氣罐重約130kg，對(duì)應(yīng)的壓縮空氣的比能量約為61W‘h/kg表1為壓縮空氣動(dòng)力(dòng lì)與多種車載電池比能量的對(duì)比提高壓縮空氣使用效率、增大罐容和增大充氣壓力是提高一次充氣行駛里程的主要手段當(dāng)然增大罐容受到汽車有效空間的限制，增大充氣壓力則受制罐工藝的限制在罐容充氣壓力和汽回收、少損減壓控制和合理的動(dòng)力分配方式等問題都與Z有關(guān)，需進(jìn)一步深入研究。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)是回轉(zhuǎn)式連續(xù)氣流壓縮機(jī)，在其中高速旋轉(zhuǎn)的葉片使通過它的氣體加速，從而將速度能轉(zhuǎn)化為壓力。這種轉(zhuǎn)化部分發(fā)生在旋轉(zhuǎn)葉片上，部分發(fā)生在固定的擴(kuò)壓器或回流器擋板上。
　　4壓縮空氣動(dòng)力汽車的特點(diǎn)壓縮空氣動(dòng)力汽車在電f能-壓力f能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換過程(guò chéng)中，無（礦物）燃料的燃燒，排放的仍然是無污染無熱輻射的空氣，噪聲小，是真正“綠色”“零污染”概念的汽車與傳統(tǒng)的汽車相比，其發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)無燃料的燃燒過程，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、造價(jià)低，對(duì)材料要求低，設(shè)計(jì)和制造容易。昆山空壓機(jī)維修是更換全部磨損的零件，空壓機(jī)轉(zhuǎn)1000個(gè)小時(shí)或一年后，要更換濾芯，在多灰塵地區(qū)，則更換時(shí)間間隔要縮短。濾清器維修時(shí)必須停機(jī)，檢查壓縮機(jī)所有部件，排除壓縮機(jī)所有故障。與用液氮、液空的汽車相比，氣體膨脹作功時(shí)吸熱量相對(duì)較小，比液氮、液空的制備及存儲(chǔ)費(fèi)用少得多。內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力和壓縮空氣動(dòng)力混合動(dòng)力汽車可徹底解決吸熱問題，特別是在環(huán)境溫度較低時(shí)尤為重要。
　　壓縮空氣動(dòng)力汽車的能量傳遞快捷，儲(chǔ)存容易，空氣介質(zhì)來源方便、清潔、價(jià)廉，所需的電力能量容易獲??；家用充氣設(shè)備和加氣站等社會(huì)基礎(chǔ)建設(shè)費(fèi)用不高，較容易建造；整車使用維護(hù)和生產(chǎn)費(fèi)用低，且可利用現(xiàn)有氣動(dòng)技術(shù)、汽車設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，研制和開發(fā)周期短對(duì)污染要求特別嚴(yán)格的城市中心、重點(diǎn)旅游區(qū)、自然保護(hù)區(qū)以及對(duì)噪聲要求嚴(yán)格的場(chǎng)合或室內(nèi)使用的中小型工具運(yùn)輸(transport)工具等，以及短途的交通工具、軍用潛艇等，壓縮空氣動(dòng)力都將有不可替代（用一物質(zhì)代替另一物質(zhì)（多為強(qiáng)者取代弱者的地位))的作甩我國(guó)電力資源非常豐富，而石油資源相對(duì)緊缺，壓縮空氣動(dòng)力汽車是對(duì)電力能源很好的二次利用，符合我國(guó)目前和將來能源結(jié)構(gòu)調(diào)整的大趨勢(shì)。
　　5結(jié)論壓縮空氣動(dòng)力汽車是不同于內(nèi)燃機(jī)汽車及各種電動(dòng)汽車的一種全新的“零污染”汽車壓縮空氣動(dòng)力汽車原理上是可行的，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單造價(jià)低廉，同時(shí)符合環(huán)境(environment)保護(hù)、節(jié)約(jié yuē)資源的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略（strategy）
　　壓縮(compression)空氣動(dòng)力(dòng lì)汽車技術(shù)上優(yōu)勢(shì)明顯，壓縮空氣來源方便，能量?jī)?chǔ)存方式優(yōu)于電氣、液壓（hydraulic)等其它方式。昆山空壓機(jī)保養(yǎng)冷卻水通過管道進(jìn)入空壓機(jī)中間冷卻器對(duì)一級(jí)壓縮排出的氣體進(jìn)行冷卻降溫，再進(jìn)入后冷器對(duì)排氣進(jìn)行冷卻，另一路冷卻水進(jìn)水管道經(jīng)過主電機(jī)上部的兩組換熱器冷卻電機(jī)繞組，還有一路對(duì)油冷卻器進(jìn)行冷卻。
　　氣動(dòng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研究思路可以沿用現(xiàn)有的汽車技術(shù)，氣動(dòng)控制及氣動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)已是成熟技術(shù)，相關(guān)(related)的高壓氣動(dòng)控制元件技術(shù)上也是可行的。車行駛里程之間有最優(yōu)匹配參數(shù)，而壓縮空氣能可以預(yù)計(jì)，壓縮空氣動(dòng)力汽車在通用場(chǎng)合和量使用(use)率Z是最大的變數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)(優(yōu)化（optimalize）、能量特殊領(lǐng)域都能得到廣泛的應(yīng)甩注塑制品翹曲變形數(shù)值分析模型一一郭志英阮雪榆李德群文章編號(hào)：1004-13X（2002）17-1515-03注塑制品翹曲變形數(shù)值分析模型郭志英博士郭志英阮雪榆李德群曲變形有限元模擬數(shù)學(xué)模型，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了翹曲變形模型及分析軟件的正確性注塑成形是批量生產(chǎn)塑料制品的首選方法。
　　但如何減少、防止制品成形中時(shí)常發(fā)生的翹曲現(xiàn)象，是經(jīng)常困擾工程師的一大難題而僅僅依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)技術(shù)訣竅和不斷嘗試的方法，仍不能有效地解決問題因此，將CAE技術(shù)應(yīng)用于注塑成形，進(jìn)行翹曲變形預(yù)測(cè)，以優(yōu)化產(chǎn)品、模具設(shè)計(jì)和注塑成形工藝參數(shù)設(shè)置，從而提高生產(chǎn)效率和成形質(zhì)量(quality)，是解決翹曲變形問題的新思路。
　　1翹曲變形有限元分析模型注塑制品成形過程中可能形成多種殘余應(yīng)力，其應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)方程為均勻冷卻過程所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；為由于模具排氣或制品被頂出時(shí)可能產(chǎn)生的應(yīng)力；為制品出模后繼續(xù)冷卻至室溫(temperature)時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)變利用虛功原理=ITdV++Fi++體積；為位移；為制品出模后繼續(xù)冷卻所產(chǎn)生熱應(yīng)力的等效熱載荷；為流動(dòng)殘余應(yīng)力所形成的等效載荷；為模具內(nèi)不均勻冷卻所產(chǎn)生溫度應(yīng)力的等效載荷；為出模時(shí)受到不均勻推力而可能產(chǎn)生的載荷且有胡小軍，董明晶蔣書運(yùn)等。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的新進(jìn)程夕明，孫逢春。電動(dòng)(electric)汽車能量存儲(chǔ)技術(shù)概況。電（編輯蘇衛(wèi)國(guó)）體傳動(dòng)及控制國(guó)家(country)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后研究人員(personnel)。研究方向(direction)為氣壓伺服系統(tǒng)、氣液聯(lián)控伺服系統(tǒng)及其控制策略、氣動(dòng)汽車。發(fā)表論文10余篇1收穡日期：2001- 0一基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（59975032）；國(guó)家211工程資助項(xiàng)目