大气压力势能的利用

摘 要：从物理知识中获知：有重力势能、弹力势能、分子势能和电势能，并未提及大气压力势能，在生产生活中只利用了大气压力，并没有利用大气压力势能，比如用吸盘吸牢玻璃、吸管吸取液体，都是利用大气压力。大气压力势能一般是通过拉动真空缸底的活塞而获得的，真空缸类似于气缸，两者重要的区别在于：气缸底部有进气孔和排气孔，而真空缸底部只有预排气孔。先将活塞设置于真空缸底部通过预排气孔排出空气，并使预排气孔密闭，当有外力拉动活塞时，活塞与缸底之间为真空或接近真空，即活塞与缸底之间存在大气压力势能。

关键词：大气压力 储能 真空缸 活塞

中图分类号：G632 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（c）-0076-02

大气压储能助动装置，结构包括：储能机构、传动机构、控制系统，储能机构与传动机构相连，储能机构包括真空缸和活塞，传动机构包括牵引件、转盘、锥齿盘、离合机构，控制系统用于控制两个离合机构的离合以及转盘是否处于卡住状态。先将活塞设置于缸底通过预排气孔排出空气，并使缸底密闭。当需要储存能量时，通过控制系統使外力带动传动机构拉动活塞，此时缸内为真空或接近真空，外界有大气压力作用于活塞，即活塞与缸底之间产生大气压力势能，则有储能效果；需要释放势能时，再通过控制系统使大气压力带动传动机构，从而带动受力体，则有助动效果。本装置的目的是解决车辆刹车时动能得不到有效利用的技术问题。

1 大气压储能助动装置原理

在车辆的行驶过程中，经常因为遇到红灯而必须进行刹车，待绿灯亮起时再重新启动或加速；公交车则除了红灯的情况需要刹车外，还需要在各个公交站点停靠，即增加了刹车和再启动的频率，众所周知，汽车在制动时，尚有一定的动能，而现有的车辆都是通过刹车片制动，将这部分动能转化为热能释放到大气中，使得这部分动能被浪费而得不到利用；或者，将这部分动能转化为弹性势能或电能进行储存，这两种方法均储存能量有限、回收效率低。现有气缸和活塞是为压缩空气而设计的，对外是正压，运用逆向思维可用活塞把气缸内部拉成真空或接近真空，对外是负压，用于拉成真空的密闭气缸称为真空缸。在用于该装置真空缸体积要尽可能大，这样才能储存足够的能量。

2 大气压储能助动装置结构介绍

大气压储能助动装置的结构如图1所示：1为第一离合机构；2为第二离合机构；31、32、33、34为四边锥齿盘；41、46为转盘；42、47为牵引件；43、48为活塞；44、49为真空缸；5为车辆传动轴；45为定滑轮；441、491为密闭的腔体；442、492为与外界大气相通的腔体。储能机构包括：活塞、真空缸，活塞设置在真空缸的内部，将真空缸分隔为密闭的腔体（441）和与大气连通的腔体（442），传动机构包括：牵引件、转盘、四边锥齿盘、离合机构。牵引件的一端与活塞相连，另一端设置在转盘上，转盘与相连的锥齿盘相连，离合机构用于离合车辆传动轴与相应两个锥齿盘。控制系统用于控制两个离合机构的离合，以及转盘是否处于卡住状态，当两个离合机构处于分离状态时，锥齿盘不随车辆的传动轴转动；当其中一个离合机构处于合并状态时，相应的锥齿盘随车辆的传动轴一起转动；当转盘处于卡住状态时，整个传动机构无法受力运转；当转盘处于非卡住状态时，整个传动机构可以受力运转。控制系统设计为自动控制不需要驾驶员另行操作。众所周知，车辆的传动轴是随车辆运动而转动的。车辆正常行驶时两个离合机构都处于分离状态，在正常刹车减速时，该装置先于原有刹车系统启用，或与原有刹车系统一起启用，通过控制系统使第一离合机构合上，即车辆传动轴与锥齿盘（31）连上，则带动其他锥齿盘转动，从而使转盘转动，通过牵引件拉动活塞，即开始储存车辆动能（一般可设计车辆在低速行驶时，用此方法代替原有刹车系统），在车辆停止的一刻，此时再通过控制系统使转盘处于卡住状态，则传动机构无法受力运转。需要前进时通过控制系统使转盘处于非卡住状态，在此同时使第二离合机构合上，即车辆传动轴与锥齿盘（33）连上，并使第一离合机构分离，大气对活塞的压力通过传动机构带动车辆传动轴，使车辆前进。当活塞被压到缸底时，再通过控制系统使第二离合机构分离，这样两个离合机构都在分离状态，车辆又回到正常行驶状态。使用两个离合机构目的是：在释放能量助动时使车辆传动轴保持原有转动方向。

3 大气压储能助动装置运用实践

以上是大气压力势能用于车辆节能的原理，但在实际设计制造时，可对储能机构进行优化，以减小储能机构的体积，使大气压储能助动装置更为实用。相同的储能要求下优化后的储能机构，体积大为缩小，这样优化的缺点是当活塞被拉到接近缸顶时，气压会过大，相应的部件容易有所损伤。为避免这种情况下可对储能机构再进行优化，把圆柱体的真空缸设置在一个长方体空腔内，使真空缸外壁与长方体内壁吻合，使长方体与真空缸长度相等，也使长方体两端密闭，真空缸与长方体之间形成四个独立密闭的小空间，在真空缸顶部设置通道，使真空缸顶部气体能排入到4个封闭的小空间内。也可根据设计需要使真空缸顶部的气体只排入其中一个或二个或三个密闭的小空间内。这样能解决活塞被拉到真空缸顶部时压力过大的问题，且几乎不占用空间。

根据这一方案，公交车、火车或公交列车都可将大气压储能助动装置设计安装在车辆的大缸内，这样几乎不占用原有车辆空间。小型车也可设计安装这套装置，但要占用一些空间，甚至自行车上也可以设计安装。

由于车辆在减速时还受其他阻力，动能不可能全部储存；在能量释放时也会受到其他阻力，大气压力势能不可能全部用于助动。所以实际节约的能量要比以上计算结果要小一些。

大气压力势能的计算：大气压力势能即为大气压力潜在所做的功，其大小与相对于真空的大气压强和真空的体积有关。任何形状的真空体都可视为由若干微小的高度为h底面积之和为s的柱体构成，高度h可视为大气压力做功时经过的距离，面积之和s可视为大气压力的受力面。设大气压力势能为E、大气压力所做的功为W、大气压力为F、大气压强为P、真空的体积为V。根据大气压力与大气压强的关系以及功与力的关系可得：

即E=PV。由式中可知：大气压力势能与相对于真空的大气压强和真空的体积有关。根据标准大气压强计算，每立方米真空储存大气压力势能约为105J。对于不是真空的空间，在此不作大气压力势能的计算。

参考文献

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