吳林威

(華東師范大學信息科學技術學院 上海 200241)(收稿日期：2016-09-02)

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從熱功轉換效率角度分析純壓縮空氣驅動汽車的實用性

吳林威

(華東師范大學信息科學技術學院 上海 200241)(收稿日期：2016-09-02)

結合大學物理熱力學中的熱功轉化效率理論和文獻查閱的目前技術能達到的純壓縮空氣驅動汽車的技術指標數據，定量分析了純壓縮空氣驅動汽車的實用性．通過經典熱力學理論聯(lián)系創(chuàng)新前沿的實例分析，增強了古老熱力學理論學習的新穎性和趣味性．

大學物理 熱力學 等溫膨脹過程 熱功轉換效率

據最近國外汽車發(fā)展報道，有一家新的汽車制造企業(yè)“零污染汽車公司”(ZPM,Zero Pollution Motors)正在計劃打造利用純壓縮空氣作為驅動力的微型汽車，并有望在美國建造第一個加工工廠而進行批量生產[1]．該微型汽車AIRPod(圖1)通過一個兩缸壓縮空氣發(fā)動機對車輛后輪進行驅動，壓縮空氣發(fā)動機直接把儲存箱中的高壓空氣引導到發(fā)動機的活塞單元中，活塞移動帶動曲軸旋轉，最終動力傳遞到車輪，驅動車輛前行．據稱AIRPod車型最高車速可達到 80 km/h，續(xù)駛里程超過 160 km，真正實現(xiàn)零尾氣排放．

圖1 ZPM公司生產的純壓縮空氣驅動汽車AIRPod

近日央視也在新聞中報道了壓縮空氣驅動汽車的前景，宣稱其僅用空氣工作物質、不燒油、不耗電、零污染等優(yōu)點．特別強調空氣取之不絕、用之不盡，似乎有助于解決人類的環(huán)境污染和能源困境等．

然而，即使日新月異的新技術發(fā)展也必然受制于物理基本原理的約束．下面從熱力學原理的角度出發(fā)，從熱功轉換效率的角度，分析純壓縮空氣驅動汽車的實用性．

1 熱力學第一定律及熱功轉換效率

大學物理熱力學部分普遍包括熱力學第一定律、第二定律、多種準靜態(tài)過程，以及循環(huán)過程熱功效率的計算方法等介紹[2]．

其中，熱力學第一定律是關于熱功轉換的能量守恒和轉化定律，即系統(tǒng)吸收的熱量一部分用于增加內能，一部分用于對外做功

Q=ΔE+A

而無論是做循環(huán)過程，還是單一的準靜態(tài)過程，熱機的目的都是對外做功，而付出的代價就是要從外界吸收熱量，因此衡量熱機效率的公式均為

式中A為系統(tǒng)對外界做的凈功；Q為系統(tǒng)從外界吸收的總熱量.

課本中計算的準靜態(tài)過程(如多種等值過程)或循環(huán)過程(如卡諾循環(huán))的理論效率，往往并沒有考慮許多實際的能耗因素，如氣體膨脹時活塞與器壁之間的摩擦損耗，氣體膨脹降壓到發(fā)動機進氣壓力時，氣體不能再膨脹而存在殘氣能量損耗等．因此實際的效率要遠低于理論值．

2 熱力學定律的定性與定量分析

從熱力學理論角度來看，純壓縮空氣驅動汽車的所謂“能解決人類環(huán)境污染、能源困境”的夸張描述，明顯是媒體人為抓眼球而故弄玄虛．如從熱力學第一定律角度定性來看，空氣是不可能提供能源的．壓縮空氣需要消耗電能驅動壓縮機做功而損耗能量，然后將能量儲存在高壓氣體中，再通過熱功轉化將熱量轉化為對外做功，驅動汽車前進．因此，這種壓縮空氣驅動的汽車其實是把電能轉化為熱能，再轉化為對外做功的過程．

此外，結合熱力學理論中的熱功轉化效率和文獻查閱的目前技術能達到的純壓縮空氣驅動汽車的技術指標數據，可定量分析這種純壓縮空氣驅動汽車的實用性．

例如，已知高壓儲存箱的容積V1=0.2 m3[1]，假設高壓氣體可充壓到p1=30 MPa=3×107Pa[3,4]．按照熱力學過程中熱功轉換效率最高的等溫膨脹過程(η=100%)計算，微型汽車向外界做功為

p1V1=pV

式中V0為高壓氣體在一個標準大氣壓(1×105Pa)下的體積

則

以江淮JAC第三代純電動汽車為例，充電10%需要1 h，耗電能2度，理想狀態(tài)下可行駛13 km．假設純電動汽車的熱功效率為90%(即充入的電能轉化為化學能并用于對外做功的效率)．雖然純電動汽車中的電池組比較重(如以可供小汽車行駛 100 km的磷酸鐵鋰電池為例，重量約為150～200 kg[5])，但占整車的重量(約2噸)大約十分之一．假設兩種車型對地面的摩擦力相近，則一輛200 L儲存箱高壓空氣驅動的汽車最多可行駛

考慮到：

(1)發(fā)動機內氣體進行膨脹過程中難免有摩擦等損失,設其傳能效率為90%[3]；

(2)實際上當高壓氣罐內壓力降到發(fā)動機進氣壓力 3.34MPa 時，氣體不能再膨脹，存在約13%[3]的殘氣能量損耗；

(3)再考慮到汽車開出去后，還要留有足夠剩余能量能開回到加氣站加氣(設必須剩余10%能量)．因此這種純壓縮空氣驅動微型汽車最多可開約50 km，其實用性大打折扣．

3 討論

從以上熱功轉換效率的角度分析這種純壓縮空氣驅動汽車，其實用性不強[3,4]．相關研究人員還提出擴大高壓罐容積(如裝兩三只)，或提高充氣壓強來改進做功容量，但這又給汽車可利用體積比、道路安全性等帶來挑戰(zhàn)．目前技術界普遍認為，研發(fā)以壓縮空氣動力和內燃機結合在一起的氣動混合動力車型，才具有一定的實用可行性[6]．兩種驅動模式根據汽車的行駛速度交替進行，如當駕駛員踩下油門時，高壓倉中的氮氣被釋放并將燃油推入液壓發(fā)動機(無二氧化碳排放)，驅動車輛前進；當駕駛員剎車或松開油門時，液壓發(fā)動機反向運動并將氮氣重新壓縮到高壓倉里．以此通過輔助燃油發(fā)動機減少燃油消耗，降低二氧化碳排放和減輕污染．

大學物理熱力學部分介紹的理論與定律的發(fā)展歷史較為久遠(如發(fā)現(xiàn)于1840年左右的熱力學第一定律，和1850～1851年克勞修斯和開爾文先后提出的熱力學第二定律等)，應用的事例也比較古老(如1776年瓦特制造出的第一臺有實用價值的蒸汽機；1824年卡諾提出的卡諾定理，指明了工作在給定溫度范圍內的熱機效率所能達到的極限等)，與現(xiàn)代科技前沿的聯(lián)系較少．課程教學中教師多是紙上談兵，學生學習也深感枯燥乏味．本工作結合熱力學中的熱功轉化效率理論，定量分析了新近熱炒的純壓縮空氣驅動汽車的實用性．通過經典熱力學理論聯(lián)系創(chuàng)新前沿的實例分析，增強了古老熱力學理論學習的新穎性和趣味性．

1 Can Compressed Air Drive The Next City Car?,2015.5http://www.hybridcars.com/can-compressed-air-drive-the-next-city-car/

2 程守洙，江之永.普通物理學.北京：高等教育出版社，2006

3 高海洋,曹惠玲.壓縮空氣驅動汽車的全過程能效分析.液壓氣動與密封,2009(1):27～30

4 俞小麗，元廣杰，沈瑜銘,等.氣動汽車工作原理的理論分析.機械工程學報,2002(9)：118～122

5 俞會根,施紹有.電動汽車電池相關問題探討.北京汽車,2010(6):8～10

6 張濤.壓縮空氣驅動汽車.科學大眾,2015(Z1):32～34