空气动力汽车路有多远？

王军

电视短片中曾展示的空气动力汽车让人们极为向往，但这种既不用烧油又不用电的车，为什么却在路上很少见到呢？发动机的含义是把其他方式的能量尤其是热能转化为旋转动能，以驱动车辆。最早由瓦特发明的蒸汽机是利用燃烧煤产生热量加热水，利用水蒸气的压力推动气缸中活塞往复运动，进而实现驱动系统的旋转运动。汽车的发动机统称为内燃机，是把汽油或者柴油与空气进行混合，然后在活塞顶部的燃烧室内进行燃烧，热量使燃烧室内部气压增加，推动活塞运动，通过曲柄连杆机构转换成为旋转动能。

目前界定汽车的元年是1886年本茨第一次把内燃机应用在三轮车辆上，并驱动了这辆车行走，从此内燃机发动机技术发展起来。其实人们利用空气压力实现车辆行驶的想法要早于汽车的元年，甚至发动机的原理都是来自于气体压力，从最早蒸汽机时代到目前的发动机时代，一直在研究空气动力。随着发动机技术的快速发展，空气动力技术也被提了出来。

空气动力汽车的优点主要体现在4个方面：一是利用压缩空气做功，没有燃烧，不会污染环境。二是对压缩气体没有要求，任何气体都可以作为动力。三是气体来源广泛，可以利用工业制氣的废气，相对价格低廉。四是由于采用与汽车结构一致的动力传动系统，内燃机车辆改动不大即可使用空气动力。

既然空气动力有这么多的优点，为什么当初车辆会放弃压缩空气带来的动力呢？这个问题的产生主要是人们如何定义车辆造成的。车辆包括蒸汽机车都是在不断提高车速和续驶里程方面发展，在汽车上，人们还要求乘坐舒适和驾驶乐趣，又提出了更高的要求，而每一项要求从能量角度来说都是增加了能量需求，但是压缩空气所能释放的能量是非常有限的。

一是汽车有大功率和大能量双重需求。人们驾驶车辆，加速过程是在短时间内需求大量能量，而高速行驶又需要长时间稳定地输出能量，因此汽车在使用中对能量的需求既有大功率的特性，又有大能量的特性。这说明即使有很大的能量，但是短时间内不能释放出充足的能量保证汽车的加速性能，或者短时间内全部释放出来的能量不能保证汽车的续驶里程性能，都不能作为汽车的动力能源。二是能量储存多少决定汽车行驶里程。一般来说，把能量与重量的比值称为比能量，比能量越高，说明汽车在同等的能量需求上携带的重量最少。还有能量与体积的比值称之为能量密度，能量密度越高，在汽车上所占的体积最小。这两者都是约束汽车能源需求的因素。根据热力学定律，气体压缩过程中会产生大量的热，快速压缩空气可点燃火柴，而气体在膨胀过程中需要吸收大量的热，因此压缩空气储罐中容器的压缩空气所包含的能量，与气体释放时的膨胀方式有关。实际应用中会发生由于气体在一个空间快速膨胀，导致这个区域温度骤降，甚至可能会结冰，致使热传导不利，出现动力不足的现象。因此压缩空气动力需要在工作区加热装置以避免上述情况出现，但是在北方冬季温度在零摄氏度以下的情况下，压缩空气动力会减少很多能量。三是发动机的排气存在一定压力。压缩空气发动机的效率取决于进气压力与排气压力的差值，而排气压力大的时候需要进行消音处理。消音器也是需要消耗比较大的能量，如果没有消音器，路上的噪声就有如F1赛场一样发动机的轰鸣声。四是压缩空气的储存罐对压缩空气的使用也是一种制约。目前在汽车上使用的CNG（压缩天然气）燃料系统，其储存罐的压力一般为20MPa，如果增加压缩空气的能量，就必须压力增大到45MPa，对储存罐的技术来说也是技术难点。

综上所述，空气动力的能源在汽车的使用上还有较多难点，尤其在保证汽车行驶的安全性上，解决能量储存问题还需要更多的实验验证工作以及在不同气候地区及不同海拔地区的试验。