液态空气动力应用畅想

陈,刚

中国石油宁夏石化公司安装检修公司 

论文摘要：本文立足于为闲置的石化空分装置寻找岀路的初心，对液态空气动力应用展开畅想；通过压缩空气动力现壮研究和对液态空气动力原理的阐述，从理论上对离心式液态空气发动机可行性进行了论证，并描绘出了液态空气动力在城市交通应用上广泛的社会效益和美妙蓝图一一为碳达峰，碳中和的实现开辟一条捷径！

关键词：液态空气动力 离心式结构 负排放

1 前言

目前，世界工业化进程进入后期，机械工业生产技术的发展更是登峰造极，世界汽车保有量已达到10亿辆以上，并以持续以每年超过2．3％的速度递增。这使碳排放方面面临愈发沉重的压力。早在19世纪，法国著名科幻小说家儒勒·凡尔纳就曾描绘过这样一幅图景———满街跑着用空气作动力的汽车。人们很早以前就已经开始更多地关注如何消除对矿物燃料的依赖，一直渴望着新的“绿色汽车”及绿色汽车能源的出现。在人们的期盼中，相继出现了多种代用燃料汽车，如天然气(CNG、LNG)汽车，醇类汽车和甲醚FDME汽车等。但是，代用燃料汽车仍然有排放污染和热效应，有些燃料还有毒性，有些燃料燃烧控制也困难。与此同时，还出现了大量电动汽车以及混合动力汽车。但目前的电动汽车仍受制于车用电池因素的制约，存在功率比、循环寿命、充放电性能、造价、污染和安全性等方面的一系列问题，一时还难以达到实用的程度，电池本身也存在严重的二次污染问题。混和动力电动车具有电池电动车和内燃机汽车的优点，但仍存在排放问题。并且由于包括了两套动力装置．驱动和控制系统更为复杂。燃料电池电动车是人们寄予厚望的。目前认为最有发展前途的是质子交换膜燃料电池(DEMFc)，以氢气为燃料，可实现零排放，能量转化率高，结构简单。但燃料电池的制造成本比较高，氧气的安全存储、制备和灌装都有许多问题，这制约了这种电动车辆的发展和实用化。人们期待着一种没有污染、用之不竭的新型能，压缩空气能源正是满足了这样的要求。

2. 空气动力汽车发展现状

2．1压缩空气动力汽车的结构原理

压缩空气动力汽车(Air_poweredvehicle-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。从理论上来说，液态空气和液氮等吸热膨胀作功为动力的其他气体动力汽车，也应属于气动汽车的范畴。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可以借鉴传统汽车现有的结构模式，主要还足往复活塞式、旋转活塞式等形式。法国MDI公司出品的压缩空气动力汽车发动机，是燃料和压缩空气的混合动力发动机，它除进气压缩腔、膨胀排气缸腔外，另有一个球型腔作为燃料的燃烧腔。 纯粹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。可以是往复活塞式和旋转式等结构。

下方左图（a）所示以往复活塞式结构为例的发动机动力的串联分配方式，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；右图（b）为发动机动力的并联分配方式，其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。与传统的汽车相比，其发动机工作时无燃料的燃烧过程，所以发动机的结构很简单、尺寸小、重量轻、造价低。对材料要求低、设计和制造容易。

下图（c）为压缩空气动力汽车动力分配的串并联混合动力分配方式。此种方式下，前一级的缸之间为并联方式，它们与后一级缸之间的动力分配关系为串联关系。合理设计此类动力分配方式可得到集前两类之优点的多缸压缩空气动力汽车发动机。

压缩空气动力汽车中，高压压缩空气经减压后，通过热交换器吸热，进入作用缸推动负载运动。因此，通过调节进入作用缸的气体压力和流量，可以调整发动机的动力特性。

2．2压缩空气动力汽车的优点

压缩空气动力汽车在电能一压力能一机械能的转化过程中，无(矿物)燃料的燃烧，排放的仍然是无污染、无热辐射的空气，是真正的“绿色”、“零污染”概念的汽车。

压缩空气动力汽车使用压缩空气为动力，能量的传递快捷、储存很容易，空气介质来源方便、清洁、价廉，所需的电力能量容易获取。充气设备和加气站等费用不高，较容易建造。整车使用维护和生产费用低，且可利用现有气动技术、汽车设计和制造技术，研制和开发周期短。对污染要求特别严格的城市中心、重点旅游区、自然保护区，对噪声要求高或室内使用的中小型工具、运输丁具等，对短途的交通工具，军用潜艇等场合，压缩空气动力都将有不可替代的作用。特别足它可以满足现阶段大气污染严重城市的迫切需要，具有巨大的市场潜力和广泛的应用前景。我国电力资源非常丰富，而石油资源相对紧缺，运输工具每年所燃烧掉的大量的不可再生的自然资源非常可惜。压缩空气动力汽车是对电力能源很好的二次利用，符合我国目前和将来的能源结构调整的大趋势．也为电力能源的再利用开辟了新的领域。

2．3往复式压缩空气动力汽车结构上的劣势

2.3.1 驱动力臂严重受限

往复式发动机力臂的大小取决于曲轴曲拐半径的大小；但曲轴曲拐半径与发动机体积有正关联，增大曲拐半径会使发动机曲轴箱的体积急剧增大，而汽车的发动机舱空间对固定型号的车几乎固定的，所以要想增加发动机扭矩，就要扩大缸径和转速；扩大缸径可以增加作用于活塞上的气体压力，转速的提升需要在增加缸径基础上，加大每个冲程的进排气量，需要进排气阀有大的流通截面，这对关键零部件提出了更加高的要求；而增加进排气量导致气体消耗过快，大大降低空气动力车的续航里程；这是一对矛盾的存在；而要在往复式结构下找到增大扭矩和增大续航的平衡点，非常困难；原因是往复式结构很复杂，零部件数量非常多，摩擦副也非常多，能量转换效率也非常低。

2.3.2 动力输出不均衡，难以避免振动的产生；只有在采用很多缸情况下才能有所改善；如汽车的四缸以上六缸或八缸等；这样使曲轴上受到的力矩逐渐均衡，但多缸会增加机器复杂度，大大增加体积、重量和成本。另外其动力的输出是将活塞的直线运动转化为曲轴的旋转运动，不直接且扭矩小；效率低。

3. 空气动力发动机新的结构形式探索

3.1膨胀透平动力模式的启示

目的就是要找到动力转换直接，结构简单，输出力矩对称的发动机结构。笔者从事设备检修多年，从80年代初期宁夏化工厂自德国林德公司引进的工业空分装置的核心动设备--膨胀透平的工作原理上受到启发，发现放弃往复式的思路而走离心式的思路，会使很多顽固难题迎刃而解；可使发动机结构大幅度简化，可远远避开西方国家的在往复式结构研究上的先发优势和专利技术垄断；下面就借助附图一，从膨胀透平的工作原理的解读上来阐述一下离心式空气动力的新结构形式；膨胀透平是空分装置的三大核心动设备之一，它们分别是空压机，膨胀透平，液氧泵；来自空压机压缩过的0.5MPa空气经过换热器后，气体温度降至常温，经膨胀透平进气调节阀进入涡壳，再由蜗壳从360度方向进入喷嘴环，喷嘴环上有很多喷嘴，延圆周方向与驱动叶轮入口密切对应，气体在喷嘴打开时自喷嘴喷入叶轮外圆的入口，并沿叶轮内白色通道行进，最后延轴向流经叶轮到达出口壳体，同时进行绝热膨胀，并回收一部分气体内能驱动转子旋转！此处的负载是一台直流发电机，起作用是提供阻转矩，限制转子的转速，使其保持在合理的范围内平稳膨胀并循环制冷；为空气液化分离提供源源不断的冷量。

附图一 工业空分装置核心动设备-膨胀透平结构与介质流向

我们设想以膨胀透平转子的结构为模板，对之进行针对性改造，使之符合于汽车发动机使用目的；我们知道，用于工业空分装置使用的膨胀机，它的主要作用是通过压缩空气的绝热膨胀使空气分子平均平动动能急剧降低，达到降温制冷液化的目的，这个是主要目的；其次是以压缩空气分子压力能（势能）为动力源，推动叶轮做功产生较大扭矩，驱动发电机工作。这个反而是次要目的。而我们现在的目的，仅仅是需要使压缩空气推动叶轮旋转，产生扭矩，驱动汽车行驶。膨胀透平的叶轮形式有利于气体以非常大的流量通过叶轮流道进入低压的空分冷箱；它的气源压力不高，0.5MPa，但是流量很大，故产生的扭矩不是最大化。

而用于汽车发动机时，我们希望初始扭矩最大化，中段扭矩恒定化，转速随气量（实际本质上是气压）完美可控；转速上限尽可能高；基于以上初衷，我们初步设计出了如附图二所示压缩空气动力结构的叶轮；其结构非常简单，分三部分，中间黄色桶状为配气室，配气室下方与叶轮筋板（绿色）和6对共12个均布缩颈弯管相连接；来自储气罐的压缩空气通过一个调节阀，进入配气室，配气室上端面与调节阀之间有一个动静配合密封点，也是摩擦副，为了获取较大的力臂，绿色背筋板直径1200mm左右，配气室内径200mm左右，当配气室供气后，将会有6对力偶同时作用在轮盘上，均衡平稳地推动叶轮旋转；为了控制排气量，保证续航里程数，6对共12个均布缩颈弯管的末端孔径非常小，暂设面积为1cm平方；使排气量在合理范围内；为了获得尽可能大的扭矩，我们将气源压力是设置到1MPa-3MPa左右；工作时每个弯管产生的推力是F = 10KG/CM2*1CM2=10KG;

每两个对称弯管产生的力偶矩是M = 10kg*9.8N*1.2=117.6 NM;

12个弯管产生的总扭矩（力偶矩）是ΣM=117.6*6=705.6NM; 比亚迪旗舰车型唐顶配的扭矩也不过900NM；为了缩小排气量，扩大续航里程数，可以将6对共12个均布缩颈弯管的末端孔截面减少到0.75平方厘米，则ΣM=117.6*6*0.75=529.2NM;这个扭矩值仍然已经非常强劲了，因为此结构具有使车自重下降的潜力。至于空气消耗量的计算，需要用实验来测定；叶轮在旋转中，离心力对气体有一个增压作用，有利于气体压力稳定；输出稳定；这个结构方案同时可实现极度丝滑的无极变速；大大优化了变速箱的所占体积重量和成本；同时离心式结构杜绝了爆震和冲击，噪音得以巨幅下降，会为驾驶带来极致安静极致平顺的体验。而启动加速度也可以远超往复式节后的汽油车和空气动力车；

附图二  离心式空气动力马达的设想图

3.2 增加离心式空气动力汽车续航的终极方案

由于液态空气气化后，体积可增加700-1000倍以上，用液态空气作为储备气源就是顺理成章的事情了。但是液态空气变成气态空气所需要的能量从何而来？有三种来源，主要来源就是大气层，即空气能，这是一个具有无限庞大体量的能量载体。液态空气通过热交换器从环境空气吸收热量，然后气化变成常态空气这个过程中，体积会剧烈膨胀，我们先让汽车携带一定量的液态空气，然后想办法让它从大气中不断地吸收热量，不断的气化，气化出来的气体存储在一个密闭的容器空间里，由于气体量的增加导致气压不停的增加，而我们的空气动力发动机，因为要不停的提供动力，会不停地消耗压缩空气，排出常压空气，这样看来，空气动力发动机所消耗的能量源就来自于大气层中的热量，这个热量是由液态空气吸收以增加自己的内能，它可以分为两个部分，第一部分提供液态空气从液态变成气态所需要的潜热，第二部分从空气中吸收的热量，可以使已经被气化的液态空气提升内能增加温度增加气压，从液态转变为气态，在气态下升到一定的压力将空气分子的内能转化为推动空气动力设备的动力。

如果将液态空气动力应用到汽车上，制作成空气动力汽车发动机，则能量来源是无限大的体量无限免费，想用多少就用多少，但是这种吸收空气中能源的方式受制于换热面积的大小和换热器与空气的相对流速，散热面积越大与空气的相对速度越大，从空气中吸收能量的速度就越快。那么，在汽车高速行驶的时候换热器从空气中吸收的热量，因为车速较快，吸收能量的速度比较高，能够维持汽车以一定的时速前进。当汽车在启动的初期，车速较低，空气与换热器之间的相对速度较低，从空气中吸收热量的速度也较低，需要借助储气罐内预存的压缩空气；那么，设想中的液态空气发动机有哪些组成部分呢？首先，他得有一个储存压缩空气的储气罐，还需要有一个使用压缩空气的空气透平，还需要有一个储存液态空气的储罐，还需要有一个从空气中吸收热能的换热器，液态空气经过液态泵输送到换热器中，在车辆行进中，与换热器外部的空气进行热交换，自身被气化，温度最终达到与环境温度一致，反复被气化的液态空气最终进入储气罐补充空气透平所消耗的压缩空气；也可以方式二--化石燃料和方式三--电能予以补充，例如，车辆启动时，可以先通过柴油暖风器加热液态空气，或者从蓄电池里面放电能直接加热液态空气，从而保障配气室的压力，使他满足以驱动空气动力发动机所需要的最低压力，等车速起来后就可以关闭辅助方式，而只采用免费方式吸收空气中的能量供行车使用。
4.开发液态空气发动机的巨大潜在社会价值

本法一旦开发成功，可以形成一个城市大气持续改善的闭环循环。当空气动力汽车形成规模数量后，由大型工业空分装置生产液态空气，配送到正规加油站的液态空气储罐内，大量空气动力汽车在加油站加液态空气，同时给储气罐充压缩空气，满足正常使用条件；当无数空气动力汽车在城市各个角落奔走的时候，排放出来的是经过空分装置制备的无杂质无二氧化碳的纯净空气，甚至可以是富氧空气，城市大气立即会发生翻天覆地的变化，必将彻底颠覆现在的汽车尾气“正排放”的死局，而且直接越过现下正在推行的电动汽车的“零排放”的杯水车薪的尴尬局--汽油车不死，电动汽车的作用不会凸现--而直接开启汽车“负排放”的新时代。所谓“负排放”，是指不但不排放有害气体，反而会向城市补充新鲜纯净无二氧化碳的优质空气，使整个城市变成一个个巨大的“氧吧”，因为工业空分装置可以提供不同氮氧比的富氧液态空气供空气动力汽车使用。假如此设想能够实现，那我们相信我国提出的“碳达峰”“碳中和”的期限必定大幅提前到来。

液态空气动力汽车的以上设想并非“空中楼阁”，早在许多年前国外法国工程师Guy N69re领导的研究小组，他们就已获得相关的空气动力专利20余项，其设计出的气动汽车已经定型并投入了商业生产。他们设计的名为“TOP”(Taxizero Pollution)的压缩空气动力出租车。此型号汽车以一罐300 L、30 MPa压力的压缩空气，可以行驶200 km，最大时速达100 km／h。后来又推出了最大时速达110 km/h，一次充气行驶300 km的压缩空气动力汽车。

不久的将来，真正阻碍液态空气动力汽车问世的因素也许并不是技术原因，毕竟现在的材料科学一日千里，汽车设计水平已达巅峰，一款可以让液态空气迅速从空气中吸收热量并迅速气化的换热器的应运而生也是指日可待；世界范围内汽油车的既得利益会阻碍，迟滞液态空气动力汽车的研发进度，但在全球变暖，大气污染日益严重，人类面临严峻的生存挑战的大背景下，这也不过是螳螂挡车而以；谨以此篇文章，抛砖引玉，开拓梦想。

 参考文献：

 [1] 陈海生等.压缩空气储能技术原理[J].储能科学与技术，2013，2（02）：146-151.

[2] 张祥 压缩空气储能专利技术综述 来源：《山东工业技术》2015年第04期