新能源液氮空气汽车技术的应用

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1汽车科技创新繁星闪烁

以节约燃料和降低排放为主要目的的绿色增压直喷柴油机、复合火花点火或VVT—汽油机、混合动力驱动系统、均匀充气压燃(HCCI)发动机和变速箱向多档位(5档、6档)手动、自动、手自动一体、CVT方向发展等，特别是缸内直喷技术、增压技术、低压缩高膨胀循环、可变气门相位及升程、可变压缩比、可变排量、减速部分汽缸休眠、自动泊车、夜视系统、双涡轮正压直喷发动机、双火塞顺序点火及集成的起动发电机的采用等等，确实能使汽车发动机的热效率有较大的提高，废气排放也有所降低。DSG双离合、四轮同步转向和四轮异步转向等，能很好地解决高速行驶中车辆方向调整过快导致安全事故的问题。但上述所有这些技术措施，只能算是小改小革，小打小闹，根本不能称作汽车革命;因为汽车主体结构还是老样子，燃料也无多大改变。

2电动汽车风起云涌

近年来，国内汽车工业发展迅猛，能源问题日趋严重。专家估计，我国已探明的石油可采储量为23亿吨，仅可供开采十二三年(含可能还将发现的新油田);未来原油供需缺口将逐年增大，对外依存度也将急剧上升;价格更将日益高涨。如今能源危机已迫在眉睫，业内专家分析认为，在未来十几年内汽车产业如果不能开发出新能源取代燃油，那么汽车产业就将没落夕阳。当然，汽车行业的科学家们绝不会坐视这灿烂了百余年的汽车产业因此而消亡。世界不少国家投入大量的人力和财力，努力地研发新技术、新工艺、新燃料，积极为能源困境中的汽车产业谋求发展新路。在我国迅速发展起来的纯电动汽车、燃料电池汽车和电动—发电集成机组汽车，就是其中最杰出的代表。

2.1纯电动汽车

由电瓶或锂电池驱动汽车发动机，确实能实现零排放，对缓解能源安全问题和环保问题，有一点点好处。2013年，此种新能源汽车的销售量已达14604辆。但是，该种车充电时间长，国外最快的也要1小时才能完成充电，而传统动力汽车加1次油也就是几分钟。电池寿命短，一般只能使用1年左右。大量的废旧电池造成新的固体形式的环境污染，这比原先的废气污染好不到哪里去。众所周知，有电就有磁。大量纯电动汽车在大街小巷群蚁式奔跑，必然造成整个城市的严重电磁辐射污染，对人体健康的危害，不可估量。价格贵，每辆车由国家补贴5万元，长期大量产销，国家不堪重负。充电桩的安装，不少城市因政府经济支持，正在积极进行。但技术层面上的问题也暴露出很多:如固定车位、物业核准、充电桩接口标准等问题，都与电动车相配套的“一车一桩”、“桩随车走”等原则难以实现，为电动车的大规模产业化埋下隐患。

2.2燃料电池汽车

此种汽车没有汽(柴)油发动机，只有1块燃料电池，油箱让位给了储氢罐。该车具有安静、高效和零污染排放等特点。在未来5年内，美国将投资30亿美元开发氢燃料电池汽车。日本计划到2020年，投资40亿美元，用于这种汽车的研发。法国政府研制燃料电池汽车的预算费用为10亿美元。全世界在这场角逐中的投资总额逾百亿羙元，试图掀起汽车工业的大革命。我国的几乎所有汽车巨头，在开始时也都在燃料电池汽车领域摩拳擦掌，想要大干。但是，近年的研发困难重重。氢碳无法直接利用，必须经过转化器等才能使用，没有从根本上解决热效率难题，也使汽车结构更加复杂化。首先，储存液氢有非常高的技术要求，难度很大。其次，燃料电池造价高:车用FEMFC中的质子交换隔膜(VSD300/)约占成本的35%;铂触媒约占40%，二者均为高贵材料。在我国，生产一辆燃料电池汽车，即使是大批量，估算单辆成本在300万元以上。如此昂贵的汽车，是没有销售市场的。因此，诸多原因很可能造成此项目夭折。2.3电动—发电集成机组汽车这种汽车使电动车拥有了一个低耗节能的功能，能源补偿和快速充电效果良好，不仅可以降低整车的动力消耗，还可在车辆行驶过程中对电源进行能量补给，从而提高电动车一次充电的续行公里数。此技术使电动和发电的磁电共用，具有一些创新和变革的初步意义。可惜该种汽车结构较复杂，价格不菲，难以普及。先进发达国家的权威学者们已下定论:电动汽车类群只是过渡性产品，没有前途。

3空气汽车揭竿而起

近五六年来，己有澳大利亚、法国、墨西哥、美国、印度等近10个国家先后研制成功了多种小型空气汽车(可乘坐2～3人)。此类汽车，都是以压缩空气作动力，不使用燃油，对环境不造成直接污染和二次污染，最高时速可达50～120km，1瓶压缩空气行程在200km以上，每辆车价1万美元左右，运价为传统汽车的1/10～1/5。

4新能源液氮空气汽车破土冲天

自然界空气中的氮气(N2)按体积比测试占78%。它具有良好的压缩弹性，能形成气、液、固3种状态，是能量转换的最佳载体。而且取之不尽，用之不竭。现今天底下有不少有识之士，看好这一载体，试图以其作为清洁能源使用于汽车。浙江大学和广东某公司，已在研发液氮空气汽车的艰难征途中拼搏了五六年，基于机械结构的不尽如人意，一直尚未取得突破性进展。据报道，他们研制的液氮空气汽车雏形，己在某年春节前于校圆内跑了几圈，迈出了可喜可贺的一步。他们釆用的热交换器(汽化器)为翘片式结构，安装于汽车头部。翘片式吸热管，平行于车行方向，管道的第一片翘片，就把迎风拦挡住了，其后的所有一大串翘片不能有效吸收空气中的热量，因而吸热管中的液氮就不能被汽化，所以得不到持久的氮气。如果翘片管垂直安装于车行方向，每一根翅片管的翘片也只有一大半迎风吸热，而且车头由于其他大量构件的阻挡，翘片管散发的冷气无法穿透散去，热风也就难以进入其内进行顺畅的热交换。上述两种安装形式，均不能有效地使翘片进行吸热和散冷。因此，翘片中通入液氮之后不久，由于液氮是－196℃的深冷液体，需要大量的热量才能变成气体，因而使得整个热交换器冷冻成为一个箱式外形的大冰块。液氮汽化成氮气，这是空气汽车最为关键的一步。此步停留，汽车就无法再走。在国外，华盛顿大学和北德克萨斯大学于1994年就各有一个课题组，对液氮汽车进行了不懈的研制。这么多年来，始终未能有令人满意的成果。究其原因，也还是液氮进行汽化的循环系统工作效率低下，容易结霜而失去液氮转化为氮气的功能。根据浙江大学的大量深入研究证明，提高膨胀初始压力和釆用多工质级联方式，可以大大提高液氮所能获得单位质量可用能和烔效率，只是换热器的循环系统难以在理想状态下长时间工作。我们经过近10年的潜心研究，研发的新能原液氮空气汽车(以下简称液氮汽车)也是用液氮作能源，经汽化获得氮气，集储于储气包中增压增动能，形成高压高速气流，直接强有力地冲击到叶片上，驱动气轮盘连同主轴转动，实现氮气的压力能和动能向主轴旋转机械能的能量转换，输出扭矩。这种新型动力装置，适用于汽车，也可用于发电机及泵类等一切需要原动力装置的机械。当用于汽车时，就称为液氮汽车。该类汽车的主要性能，都远远优于现有汽(柴)油发动机汽车，也大大好于当今世界各国研发的新动力汽车。液氮汽车的供气系统。1为液氮空气汽车示意轮廓，液氮罐2安装于车后尾部，液氮经单向阀3进入深冷泵(或低温泵)4，使液氮具备2．5MPa以上膨胀初始压力，然后注入多头电动喷雾器5中，再注入汽化器6中。在液氮进入汽化器之前，必须进行雾化。这是液氮汽化为氮气的最关键的一步。雾化后，液氮仍然是液态形态，但已变成无数细小悬浮于空气中的氮雾粒，被其占据的空间增加了几百倍。在如此庞大的空间，大面积地大量吸热，其热量足以使氮雾微粒汽化成氮气，而不会造成汽化器的叶片和管子都结霜，不会致使热阻增大而降低汽化效果，更不会使整个汽化器冻成大冰块或大冰球。汽化器釆用螺旋式叶片管，并排数根与车行方向呈一定角度并联于迎风顺畅的车底。这些车底的吸热汽化管(5根或7根)，由多头电动喷雾器扫描式先后供给氮雾。当其中一根管接受充填喷雾时，其他片管正在汽化或排气中。这种螺旋式片管由于结构和安装形式所决定，百分之百的片管都不停地参与吸热散冷。风流不受任何横隔面阻挡，车速越高，风速越大，吸热越多，散冷越快。它不像传统汽车的缸体等部件形成散热损失，使整车热效率大大降低。恰恰正好相反，是从空气中吸收热能，使整车能量不断增加，使总效率大大提高。具有2．5MPa以上压力的氮气，经过单向阀7进入高压管8，再经过单向阀9进入高压储气包10。该储气包容积在1．5m3以上，其周镶嵌大量与车行驶方向呈一定角度的直条吸热片，或与车行向完全一致的“S”字形吸热片，进一步再次使氮气热能增加，体积彭胀，压力升高。储气包下与车箱之间用绝热材料隔开。在夏季气温较高时节，由温度传感器测试，芯板调控，对车箱进行恒温调控。此种液氮汽车空调器，已由河南新乡高新技术开发区研制成功，目前年产量500万辆左右。氮气自储气包输出，经仍不停吸热的高压管11后，再经过单向阀13进入操纵活门12。汽车驾驶室司机直接操纵活门12，让氮气按理想流量进入汽轮机14，驱动汽车行驶。从上述具体的机械结构分析不难看出，液氮自离开液氮罐从深冷泵排出以后，因液氮的临界温度为－196℃，液氮就被不断汽化，即使已汽化成为氮气，只要其沿途周围气温高些，供气系统内的氮气全都会自动吸热增加热能。因而，液氮汽车的供气系统，实际上是使能源载体液氮－氮气在流动过程全程上，不断自动吸收增加热能，从而大大提高汽车总効率的装置。这一独特科学神奇特性，将使新型液氮空气汽车破土冲天，爆发在即，在汽车工业革命潮流中，笑掀主升浪。

5液氮汽车的优越性

(1)高效节能

现有汽(柴)油气车因为是往复式曲柄连杆机构，出现上下两处死点造成巨大能量损失，还伴有容积损失、换气损失、泵损失、摩擦损失和散热损失等等，能源利用率不到30%。液氮汽车运用了水力水轮机的高效原理，使高压高速氮气直接多次碰撞推动转轮式气轮机叶片转动，特别是液氮汽化循环系统全程中不断吸热增压增能，使得能源利用总效率可望在80%以上。

(2)有害气体“零排放”

现有汽车尾气中排出大量的CO2、CO和多环芳烃及黑烟，严重污染自然环境，加速地球变暖，尤其加重雾霾浓度，损害人体健康，威胁世界所有生物常态。液氮汽车没有燃料燃烧环节，没有化学反应存在，只有物理能量转换，向空气中排放的仍然是无色、无味、无毒的氮气，是“零排放”，无污染。

(3)安全性、舒适性好

现有汽车人身伤亡交通事故中有80%以上是由于撞车而造成的。无论是正面碰撞或者是侧面碰撞以及后面碰撞，竟其原因基本都是因为飞轮惯性和气缸内受压气体反弹引起刹车制动距离大所致。液氮汽车只需简单扳动操纵活门，可马上改变气轮机进、排气方向，即能实现主轴的反转和正转，不但立马刹车，而且可瞬时换向。正反转换向时几乎没有任何冲击，并可在瞬间内升到全速。因而，一旦遇到突发紧急车况时，可立即刹车且反向全速退让。从而大大提高了行车安全性。液氮汽车没有燃料燃烧噪声和振动，也无油臭味，驾驶环境很舒适。

(4)可无级调速，能过载保护

只要简单地掌控操纵活门，就可以控制进气阀或排气阀的开启度，即就控制了气流的大小，从而可在设计的数值内，随意调节输出功率和转速。不像现有汽车那样进行复杂的有级换档，且档位一般不能超过6个。也不会因为过载而发生零部件损坏事故。这是因为过载或严重超载时，例如碰到某一高槛障碍物时，只是车轮转速降低或停止转动。当过载解除时，可立即重新正常运转，并不会产生现有汽车那样的机件断裂失效等故障。

6液氮汽车的经济效益和社会经济效益

(1)液氮汽车制造成本低

液氮汽车以液氮作动力能源，用气轮机取代现有汽(柴)油发动机，将给生产厂商带来良好的经济效益。现有汽车的发动机一般占整车成本的40%左右，安装了气轮机后，除了取消原发动机外，还同时去除原有汽车的冷却系统，增压装置、电喷装置、水泵、油箱、大电瓶、减速机等零部件。这不像本文一开始就提到的那些科技创新，每增加一项，就会在汽车上添加一套相应的装置或机构，使整车生产成本又有所提高。在最大功率和最大扭矩相同的前提下，液氮汽车的材料成本可降低30%上下。目前世界上研制空气汽车的国家，都把这类车的自身重量设计得很轻巧，有的空气轿车自重只有125kg。因此，液氮汽车的最大功率和最大扭矩可望大幅度降低，其材料成本可更減少。液氮汽车结构大大简化、零件精度要求、构件粗糙度要求、材质要求、热处理工艺要求等等都大为降低，成本可减少40%以上。总之，液氮汽车的制造总成本可节约35%左右。

(2)液氮汽车性价比高

现在来估算一下社会经济效益，主要是看用户的运输价格如何。目前汽油每升7．84～8．00元。例如，2000mL轿车每千米运价为0．80元。纯度为99．999%(因炼钢要确保钢中杂质不超标，医用要确保人的安全，故需要如此高的纯度)的液氮市场价为600元/m3(0．6元/L)。实际生产成本却不高，当每度电为0．66元时，每升液氮的生产费用为0．19元。液氮汽车对液氮的要求只需99%纯度即可。这就意味着在用自然界空气制取液氮之前，不必进行碱洗去掉空气中的SO2等氧化物，也不必进行干燥去除水分，更无需精细过滤水汽，也不用去除尘埃，只要从自然界中的空气里面直接制取液氮就可以了，因而价格可大大降低。即100元左右/m3液氮。液氮汽车最大行程为300km时，需500L液氮，成本为50元，每千米运价约为0．17元。这就不难看出，液氮汽车的运价小于传统汽车1/3。如此良好的公益效益，将为我国国民经济带来巨大的收益。

7结语

国家环保中心发言人说过，现在我国城市空气污染源75%来自于汽车尾气，如不采取更多更有效措施，这种状况难以好转。时代在飞速进步，科技在迅猛发展，汽车工业革命刻不容缓。国家有困难，匹夫要承担。液氮汽车是防热、防火、防爆、防冷冻、防碰撞、防高压的全新的“安全汽车”和“舒适汽车”。提取车用液氮比较容易，整车生产成本低。液氮作为能源载体，经汽车使用后又回到大气中，是最典型的绿色能源循环。我们一定要掀起一场汽车工业的大革命，把传统旧式老汽车逐渐淘汰掉，换上清洁新能源液氮汽车。这是我们汽车科技工作者的天职，也是我们的光荣使命和应尽义务。液氮汽车是汽车革命的原创作品和终极产品，有着永恒的生命力和无比灿烂辉煌的美好前景。这种新车，更能使无价清洁能源———大自然界的空气，得到充分利用，真正实现低碳经济，甚至无碳经济运作，前途无量。

作者:宋立 蔡雪良 宋飞刀 杨灵知 单位:中南大学机电工程学院