气动汽车的研究现状与前景预测
2013年中国汽车保有量超过日本成为全球第二大汽车保有量国家，全球汽车保有量还将持续增长，预计到2020年汽车保有量将达到12亿辆。然而，随着全球能源危机的出现以及全球环境的不断恶化，汽车行业的快速发展饱受诟病，为此，各国政府引进节能减排技术，积极研究和开发压缩天然气汽车、液化石油气汽车、电动汽车、混合动力汽车等新型汽车，利用纯净的替代燃料驱动的汽车将有很大的发展空间。气动汽车也称为压缩空气动力汽车，它使用高压压缩空气为动力源，将压缩空气存储的压力能转换为机械能来驱动汽车。压缩空气动力汽车在能量的转换过程中无矿物燃料的燃烧，排放的是纯净的空气，无污染、无热辐射、噪声小，是真正意义上具有绿色、无污染概念的汽车。因为气动汽车具有其他动力源汽车所无可比拟的先进技术性能和卓越的环保优势，所以有很广阔的发展前景。
1 气动汽车的研究现状
1.1 国外气动汽车的研究现状法国走在气动汽车研制的前沿，世界上第一辆气动汽车就是由法国设计师GuyN gre所领导的团队设计出来的。早在1991年法国设计师GuyN gre就获得了压缩空气动力汽车发动机的专利，创建了MDI公司，并于1998年推出了第一台压缩空气动力汽车样车。到目前为止，该公司已获得相关专利20余项，设计的气动汽车已投入商业生产，并向多个国家出售。其中有一款名为TOP（Taxi ZeroPollution）的压缩空气动力出租车，该车使用一罐300 L、30 MPa压力的压缩空气做为动力源，行驶里程200 km，最大时速可达100 km/ h。
印度对气动汽车的研制紧跟在法国之后，印度的一家汽车制造商Tata motors推出了一款名为AIRPOD的气动汽车。其特殊引擎由Motor Devel⁃opment International开发，车上附设有175 L的气罐，所用的空气可以通过外泵或者行车时由电动马达完成充气。Tata车厂表示，目前“空气小车”已进入原型测试第二阶段，未来还有四门轿车、敞篷、卡车与公交车车款。
美国人 RogerLee 也提过类似 GuyNgre 的专利。美国华盛顿大学在美国能源部的资助下，于 1997 年研制了以液氮为动力的气动原型汽车。其基本工作原理与压缩空气动力汽车相同，只是动力来源于液态氮在受热蒸发后气体膨胀做功。该车载227 L液氮可行使300 km，补充液体仅需10 min多。但是以液氮为动力存在着液氮
制取成本较高、使用过程氮气逸气量大、液氮汽化的热交换量大等问题。
韩国EN-ERGINE公司研制了电动—气动混合动力汽车。另外，荷兰的国际汽车研究中心、英国伦敦威斯敏斯特大学以及奥地利等一些欧洲国家也都进行了气动汽车的相关研究。
1.2 国内气动汽车的研究现状
世界各国都在加快气动汽车的研究进度，国内许多汽车公司和高校也开始着手气动汽车的研究。浙江大学研制出了国内的第一辆气动汽车，气罐罐体材料是碳纤维，碰撞时最多出现气体外泄，而不会发生爆炸。但由于没有牌照无法上路试车。浙江大学还在气动摩托车动力平台上分别进行凸轮配气阀配气的单缸和双缸压缩空气动力发动机的实验研究，以及气动—燃油混合动力发动机的研究，同时还进行了液氮气体动力汽车的
有关项目研究。
Volvo也提出了气动汽车的概念，其四轮气动概念车重902磅（409.14 kg），压缩气体存储在车身后部的一个气缸内，然后通过管道把气体传到车轮从而产生动力。
合肥工业大学将一台R175柴油机改装为空气发动机，以此作为气动汽车的动力源。研究小组以软件平台为基础对压缩空气发动机系统进行建模、数值模拟和仿真，分析了各参数变化对发动机动力性和经济性的影响。北京工业大学对气动汽车的发动机做了一些研究，提出了一种采用喷射器代替节流阀的新型气动汽车减压系统，对表征喷射器工作性能的喷射系数进行了深入的计算研究。随着气动汽车的发展，有利于实现其工业化生产的研究越来越多，南京理工大学对气动汽车进行了人机工程学应用的研究。
到目前为止，根据中国国家知识产权局提供的数据，我国气动汽车相关发明专利有14条，实用新型专利有17条。
2 气动汽车的优点
虽然人们对压缩空气技术持不同看法，但是经比较，发现气动汽车在缓解能源危机和降低环境污染等方面具有很大的优势。
在城市或者城镇内，纯电动汽车能够降低排放、减少污染，但是，由于我国的电力主要依靠燃煤电厂发电，纯电动汽车并非真正意义上的低碳环保汽车，它只是将问题转移给了发电站。此外，纯电动汽车还存在一些不足：首先，纯电动汽车的安全性值得讨论，到目前为止，纯电动汽车发生了多起起火事件、严重故障；其次，电动汽车动力电池性能不佳使纯电动车在行驶里程、稳定性、寿命等方面有明显不足；再次，经济性比较差，纯电动汽车整车成本较高，性能远弱于同级别的燃油汽车；第四，电动汽车电池充电时间长，而目前
城市充电设施配套不全也给之带来诸多不便；最后，如果废旧的蓄电池得不到合理的处理，就会造成水、土壤等污染问题。
混合动力电动汽车兼有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放问题，又由于其动力装置不止一套，所以其驱动和控制系统更加复杂。
人们对燃料电池电动车寄予厚望，但燃料电池的制造成本比较高，这样就使整车的成本大大增加。代用燃料汽车，如天然气汽车、醇类汽车、二甲醚汽车等仍然存在排放污染和热效应的问题，而且有些燃料燃烧控制困难，甚至有些燃料有毒性。
目前氢燃料汽车比功率范围较小，动力性差。纯氢要在深冷状态下运输，这就需要增加附加设备，减少了汽车的其它空间，也增加了消耗。而且，氢燃料汽车热辐射较大、充气时间长、燃料易爆炸、安全性较差。另外，氢能源的提炼本身就耗费大量能源，这些问题制约了氢燃料电动车辆的发展和实用化。
相比之下，气动汽车的优势就比较明显。气动汽车的动力装置为压缩空气发动机，与传统汽车的发动机不同，压缩空气发动机没有燃烧过程，机体不承受高温，对缸体材料强度要求不高，且结构简单、尺寸小、重量轻，制造成本低；发动机工作平稳、噪声小，维护成本也比较低。另外，压缩空气发动机工作介质具有低温特性，可以很方便的实现汽车的低温空调作用，不需要额外的消耗能量，在我国南方等一些高温地区使用价值较高。
气动汽车的动力装置还可以采用气动马达。气动马达的结构简单、体积小、重量轻，而且具有很多优点：无级调速；能够正转也能反转；有过载保护作用，工作安全；具有较高的起动力矩，可以直接带载荷起动；功率范围及转速范围较宽；操纵方便；维护检修较容易。
空气是清洁能源，资源较多，使用空气作为介质，排放出来的仍然是无污染的空气，不仅可以减少煤炭石油资源的使用，而且还减少了二氧化碳以及其他污染物的排放。另外，它的安全性、经济性、也是目前其他能源汽车所不能媲美的：第一，目前气动汽车的气罐大多采用碳纤维，遇到问题最多就是罐体破碎，空气漏出，而不会出现危险情况。第二，压缩气体经过膨胀做功后排出的还是一成不变的空气，不仅没有污染，而且能够重复利用，降低资源成本。第三，气动汽车使用气动发动机，不需要配气系统等，能够简化控制系统，使整车生产费用低；可以利用现有气动技术、汽车设计和制造技术使研制和开发周期短；对润滑油高
温性能的要求也大为降低，所以维护简单，费用低，使用寿命延长。第四，气罐内气体快用完时，有两种方法解决，第一种方法是到加气站更换气罐。夜间电价相对较低，这时对储气罐充气，不仅充气价格较低，而且可以实现电力生产的填谷价值，提高常规电力系统的效率和经济性。
压缩空气所用的能量可以是完全清洁的可再生能源，如可以用风能直接压缩空气，将风能存储为压缩空气能，作为气动汽车动力源。另一种方法是直接给气罐充气，可以使用民用电充气，也可以使用高压气泵充气，充气时间较短。家用充气设备和加（换）气站等社会基础建设费用不高，较容易建造。城市内建成网状的充电站，既方便又快捷。
3 气动汽车的应用前景
气动汽车领域是汽车行业很有发展潜力的领域，备受世界各国的青睐。在能源资源日渐减少的情况下，中国政府也加大了对新能源汽车的扶持，消费者不仅享受购车补贴，还享有许多税费优惠。在一些大城市，市内平均车速小于20 km/h，而且城市中的机动车始终处于急起急停状态，使得排放增加，燃油经济性降低。气动汽车就有了“用武之地”，它可以作为市内公交车，也可以作为市内上班族的代步车。在市内，气动汽车完全能满足续驶里程要求，而且城市交通工况也不会造成气动汽车的经济性明显降低；气动汽车无污染，对城市的环境保护有很大的作用。
另外，在一些重点旅游区、自然保护区以及对噪声要求严格的场合或室内，气动汽车都将有不可替代的作用。气动汽车的产业化、工业化和市场化会带来多方面的利益。一方面，随着气动汽车研究技术的成型，气动汽车的性能更加优越，加之气动汽车价格低，使人们购买力提高，也能够承受汽车所带来的附加消费。另一方面，气动汽车是绿色汽车，它的使用量增加会使燃油汽车使用量下降，从而大幅度减少全球环境污染。气动汽车的发展和使用也充分体现了中国汽车产业降低能耗、减少排放，走绿色低碳、可持续发展道路的决心。
4 现阶段存在的主要问题和研究热点
压缩空气动力汽车从理论上是完全可行的，其动力系统和常规的气动系统的构成是类似的，只要在元器件上稍微做一些改变就可以应用在气动汽车上。目前气动汽车研究面临的主要问题是气动汽车动力系统效率较低，车载有限的高压压缩空气的能量得不到有效的利用，限制了气动汽车的行驶里程。
气动汽车的尾气排放能量损失高达43.2%，而输出的机械能才占30.7%，残气损失对整个压缩空气能量利用率产生很大影响，所以尾气排放中残余压力是不能不考虑的一部分能量。采用压力分级控制合适的动力分配方式和能量回收措施将会减少残气损失，提高压缩空气能量利用率。
国内外对气动汽车的发动机等方面进行了较多研究和改进，但对于如何降低减压过程的能量损失，尤其是如何对系统进行质量能量补偿理论的研究还非常缺乏。
气动汽车刚刚起步，相对应的充（换）气站也有待建设。
为解决气动汽车现阶段存在的问题，提高它的性能，使气动汽车有很好的发展，还有很多方面的工作需要去做。
1）气动汽车的动力装置采用气动马达，在气动马达与气动汽车的传动系统的匹配设计方面的研究，可以根据气动马达的动力特性曲线建模仿真等。
2）在动力分配方式方面的工作。通过借鉴其他类型的轿车的控制方式，再根据气动汽车自身的特点，设计驱动控制方式或者整车控制方式，将能量合理分配。
3）在能量回收方面的工作。将残余压力合理利用，或用到汽车上其他的工作过程中，如为一些小功率原件提供能量；或反馈利用等。在气动发动机工作时，高压气体膨胀做功后温度大大降低，可以作为汽车制冷空调的冷源，减少汽车的耗能。需要做的工作是考虑做功后的气体温度能达到多少，在不需要空调制冷的情况下应如何使用尾气等问题。
4）在整车控制方面的工作。可以研究适合气动汽车的整车控制器，使汽车各部件运行协调，压缩空气得以合理的利用。
5）在储气罐的设计方面的工作。储气罐的设计研究可以借鉴文献对钢瓶的改进方法。气罐的形状多样化，可以将气罐做成适宜于安装在汽车地板下与底盘结合的形状，在保证安全性和容量的前提下减小气罐的重量与占车面积，也使得气罐在更换时方便快捷、人性化。
5 结语
气动汽车是符合可持续发展战略的绿色汽车。发展新型气动汽车不仅可以减少不可再生资源的消耗，还可以减少二氧化碳以及其他污染物的排放，降低对环境的污染，而且有助于提高我国汤高攀 等：气动汽车的研究现状与前景预测 151机电技术2014年2月汽车行业的水平，增强在全世界范围内的竞争力。气动汽车的研制和开发周期短，生产费用低。气动发动机的使用使气动汽车整车维护简单，使用寿命长。气动汽车的气罐大多采用碳纤维，不会发生爆炸及出现危害人身安全的情况。空气罐可以到加气站直接更换满气的气罐，拆装
方便快捷。空气是清洁能源，资源丰富，使用空气作为介质，压缩气体经过膨胀做功后排出的还是无污染的空气，具有重复利用的价值，使能源资源成本降低。总的来说，气动汽车适合中国国情，随着高压储存技术及气缸和气动马达技术的提高，气动汽车将得到广泛的应用。
汤高攀 严世榕 高宏力
（福州大学机械工程及自动化学院，福建 福州 ）
