压缩空气汽车

压缩空气汽车（Air Powered Vehicle，APV），简称气动汽车，利用高压压缩空气为动力源，将压缩空气存储的压力能转化为其他形式的机械能，从而驱动汽车运行。如图10-13所示，法国MDI的气动汽车，在加气站3min可加满气（在家里用家用机加气要4h）。加一次气14元人民币，以96km/h速度可跑300km。一般1罐300L、30MPa压力的压缩空气，可以行驶200km，最大速度达100km/h。近期又推出了最大速度达110km/h，一次充气可行驶300km的压缩空气动力汽车。

从理论上来说，以液态空气和液氮等吸热膨胀做功为动力的其他气体动力汽车，也应属于气动汽车的范畴。

图10-13　压缩空气汽车

除动力来源的不同，压缩空气动力汽车工作原理与传统汽车基本相同，其发动机的总体结构形式还是借鉴传统汽车现有的结构模式，主要还是往复活塞式、旋转活塞式等形式。如图10-14所示，为法国MDI公司的压缩空气动力汽车发动机，其中往复活塞式可用于小型车，旋转活塞式主要用于客车。

图10-14　往复活塞式和旋转活塞式压缩空气发动机

（a）往复活塞式；（b）旋转活塞式

以压缩空气为动力的发动机的总体结构和传统汽车的发动机结构基本相同。但压缩空气动力发动机的动力分配方式有串联方式、并联力式和串并联混合方式。

串联分配方式，其缸与缸之间的空气动力管道是串联的，上一级缸的剩余压力是下级缸的始动力。该方式的下级作用缸的结构尺寸较大，但动力利用率较高，热交换较充分。

并联分配方式是缸与缸之间的空气动力管道是并联的，不同缸的初始动力相同。并联方式的缸的结构尺寸相同、动力输出平稳，但剩余压力稍高。

压缩空气动力发动机（气动发动机）是气动汽车的核心，减压到工作压力的高压空气进入气动发动机气缸内膨胀做功，类似于内燃机在燃料爆炸燃烧产生高温高压气体后推动活塞对外做功的过程，因此，在基本结构上也接近于内燃机，包括机体、气缸、活塞、连杆、曲轴和配气机构等部分。但气动发动机的工作循环为简单的两冲程，即高压压缩空气进入气缸膨胀做功冲程和将膨胀后的低压气体排出气缸的排气冲程。由于没有燃烧过程，气动发动机机体不承受高温和超高压，机体强度也可减小，结构简单，质量小，发动机不再需要冷却系统，制造及使用维护成本低。

气动发动机进气为高压气体，且进气道压力始终高于气缸内压力，类似内燃机气门向气缸内开启的配气结构，进气门将始终承受高压气体很大的背压。在压力超过气门弹簧的预紧力情况下，即使进气门处于关闭状态，高压气体也会将进气门顶开，发生泄漏，造成耗气量增大，排气冲程缸内气压升高，负功增加，整体功率和效率下降等不良效果。因此，在结构上，气动发动机的配气机构必须适应高压进气的要求。

压缩空气动力发动机的工作特性具有起动及低速扭矩大，随发动机转速升高输出扭矩逐渐减小，而耗气量逐渐增大的特点，通常情况下进气阀打开后发动机即可运转并输出最大扭矩，直接驱动汽车起步行驶。因此，在压缩空气动力汽车的集成中，传动系统适宜采用低减速比设计。

压缩空气动力汽车气动回路如图10-15所示，回路的一端接高压储气罐，接触压力为超高压，另一端为中高压，接发动机的工作腔，两者间压差非常大，因此必须实行分级减压。

常规气动系统的减压控制都采用气动减压阀进行节流减压方式。在节流减压过程中，由于通过节流口高速流动的气体的摩擦作用，能量损失较大，而且压力越高，损失越大。而对于压缩空气动力汽车来说，车载的压缩空气存储的总能量是有限的，要保证汽车有足够的继驶能力，在提高车载储气量的同时，必须尽可能减小压缩空气在气动回路传输过程中的能量损失，因此，普通的节流减压方式不适宜压缩空气汽车气动回路高压减压段。

注意：压缩空气动力汽车的转速和扭矩由压缩空气进气压力及流量的变动而调节。压缩空气动力汽车气动回路高压减压段采用了高压容积减压方式，使用气体膨胀减压的方法使压力降低到设定值。高压容积减压方式在回路中设置了一个一定容积的减压气罐，设定好减压气罐的控制压力范围后，使用压力传感器检测气罐气压，当罐内气压低于设定压力下限时，控制器发出控制信号开启高压大流量高速气动开关阀，让储气罐中的超高压气体通过大截面的阀口冲入减压罐，膨胀减压。而当气罐中进入足够的高压气体，罐内压力升高到设定压力上限时，控制器根据压力传感器的反馈关闭高压大流量高速气动开关阀。通过开关阀的断续开启，维持减压气罐中的压力在设定压力范围内，保证次级气动系统的正常工作。高压大流量高速气动开关阀减小了阀口节流过程中的摩擦能耗损失，所以，对于高压气动动力系统的节流是一种很好的减压方式。

图10-15　压缩空气动力汽车气动回路

在压缩空气动力汽车的气动回路中，次级减压后的气体将作为发动机的进气与发动机进气道连接，所以，对发动机进气压力和流量的调节将在次级减压过程完成。为调节的方便，在次级减压环节使用了比例流量调节阀，同时在气动汽车的集成中，考虑到一般驾驶员驾驶习惯，设计连接机构将发动机进气流量调节阀与汽车油门踏板连接，按驾驶员踏下加速踏板的深度提高发动机进气压力及流量，瞬时提升发动机扭矩和功率，满足不同工况的需要。

在气动回路的设计中，考虑到高压气体在减压后温度大幅降低，与环境温度将形成较大温度差。如果低温的气体从环境中吸收热量，根据热力学规律，气体的温度和压力将升高，能量增大，最终使发动机输出更多的机械能，整车效率提高，也将获得更长的继驶能力。因此，集成到汽车上的气动回路在两级减压环节后都设置了热交换器，让减压后的气体尽可能充分地从环境中吸热，并可充当制冷空调的冷源，减少发动机动力的消耗。

在压缩空气动力汽车的辅助设备中，主要的电气设备与普通汽车相同，但在仪表盘将集成气源压力表和进气压力表，替代油箱指示表。在汽车辅助设备中，空调已经是乘用车的基本配置之一，而普通车用空调使用压缩机制冷，需要消耗较大的发动机功率。对于压缩空气动力汽车来说，因为发动机排出的尾气是膨胀做功后的压缩空气，压力减小了，温度也远低于环境温度，通过热交换器可以为汽车提供冷源，再加上减压环节后的两个热交换器，在整车的集成中合理配置，完全可以满足制冷的需要，而不再额外消耗发动机功率。同时，室外新鲜空气由热交换器冷却后作为冷气供给室内，更带来自然清新的效果。当需要在严寒环境使用时，只需再选装电热空调即可，成本较低。