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压缩空气储能驱动的混合动力车

2011-10-16  Jason fen...
压缩空气储能驱动的混合动力车
更新:2011-10-11 15:16:00 作者:escn 来源:Technology Review 点击:39次 【字号:
位于苏黎世的瑞士联邦理工学院(Swiss Federal Institute of Technology)正在研制一种新型的混合动力车,它与如今的油电混合动力车节省的燃料相当,但成本却只有后者的一小部分。瑞士的研究人员在2009年4月举行的汽车工程师学会年会(Society for Automotive Engineer’s Congress)上用一个新系统测试版演示了其实验结果。
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空气供给:古泽拉的设计是用一个非常小但能提供足够巡航速度的750毫升的汽油发动机取代了一个2升的发动机。
来源:利诺?古泽拉(Lino Guzzella)


传统的油电混合动力车使用电池来储存在制动过程中回收到的能量,否则这些能量会以热能的形式被浪费。接着这些能量可用来驱动辅助汽车发动机的电动机。但是高昂的电池成本和附加成本——包括电动机和汽油发动机两种驱动装置——使得这种混合动力车售价昂贵。这就减缓了大众对其的接受程度,并限制了它们在减少车辆温室气体排放中所起的作用。


瑞士研究所的机械工程教授利诺?古泽拉(Lino Guzzella)正在开发一种不需要电池或者电动机的混合动力车。相反,它通过用发动机活塞压缩空气来储存能量。之后这些空气被释放以推动活塞,并驱动车辆。古泽拉说,这个系统只比传统发动机增加了20%的成本,而混合动力电动车所需的额外组件需增加200%的成本。他说,计算机模拟显示,此设计可以减少32%的燃油消耗,大约是油电混合动力车节省燃油的80%。初始实验表明,该设计能够实现。


空气(或者叫气动)混合动力的整体概念并不是全新的,但要使其高效面临很大的挑战。麻省理工学院机械工程教授约翰?海伍德(John Heywood)一直致力于空气混合动力研究,他说:“在流动的空气中把(能量)损耗保持在一个足够小的数值,这看上去很有吸引力,但实现起来非常困难。”而且,弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)的机械工程教授道格?纳尔逊(Doug Nelson)说,压缩空气罐储存的能量远小于电池储存的能量,这严重制约了在典型的空气混合动力设计中的燃料节约。这是完全使用压缩空气的车辆设计存在的一个主要缺陷。


古泽拉的新式空气混合动力设计使用先进的控制系统更精确地控制空气的流动,提高了整体效率。为了解决存储容量的限制问题,这项设计与其他混合动力车相比,较少地依赖于从制动中获取能量,而更多地依赖于另一种途径来节约能量:使用气动动力来改善更小、更有效率的汽油发动机的性能。

传统车辆使用可以提供远大于车辆巡航所需能量的发动机,剩余的能量被用来加速和维持很高的速度。但这些发动机效率低,尤其是其在大部分时间里在远低于原定设计的负荷下运行。


古泽拉的设计用一个能提供足够续航速度的750毫升的汽油发动机取代了一个2升的发动机。它使用压缩空气提供汽车加速所需的能量。密集的压缩空气提供的氧气比通常情况下燃烧更多燃料所需的氧气还多,这种技术被称为增压技术。


类似的方法已经在某些量产汽车中使用了,其使用废气来推动涡轮增压器。但是涡轮增压器有一个被称为“涡轮迟滞”的问题——在油门减小和额外动力补充之间存在一个明显的延迟。该滞后的产生是因为涡轮在涡轮机旋转到足够快的速度需要时间。古泽拉说,他的系统能即刻提供额外的动力,所以不会出现这样的延迟。密西根大学机械工程教授卓然?菲利匹(Zoran Filipi)没有参与这项研究,他说,这将使这项技术更吸引消费者。


古泽拉的系统有80%的效能来自于小发动机的使用,其余的来自于从制动中获得的能量,并用于加速——在短距离内,无需使用燃料,只用压缩空气就可以驱动汽车。通过调整发动机的负荷——要么通过活塞压缩空气来增加负荷,要么用压缩空气驱动活塞来减小负荷——使其在最佳效率的状态运转也能节省燃料。最后,压缩空气还可以用来重启发动机,这使得在任何时候停车时关闭发动机变得现实可行,而不是怠速运转。


古泽拉对效率和性能的结论来自于计算机模型,但他也已经在一台测试发动机上演示了设计中的基本组成部分。这个测试装置使用压缩空气来驱动活塞,提供增压并启动发动机。接下来要做的就是优化发动机,力图使其达到计算机模型所预测的效率。

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空气动力:一台测试发动机演示了可以通过压缩空气储存能量的全新设计,然后用那些空气来帮助驱动汽车。从发动机引出来的两根管道把压缩空气输入和输出储气罐。
来源:利诺?古泽拉

但是古泽拉的混合动力概念将面临来自于其他计划改进燃油效率的技术的激烈竞争。


伊利诺斯州芝加哥市的阿尔贡国家实验室(Argonne National Laboratory)能源系统部研究员迈克尔?多巴(Michael Duoba)说,涡轮增压器变得越来越好,而其他的新技术也显示了解决涡轮增压机迟滞问题的希望。他还表示,最重要的不是一项技术的性能,而是这项技术如何与现有的技术——比如直接喷射和改进变速箱——结合以更好地提高效率。


但多巴注意到古泽拉的系统有一个明显的优势。它只需极少的附加设备——仅仅是一个用于控制压缩空气和空气罐的额外的控制阀门。现有的发动机可以完成余下的工作。他说,任何时候你能让相同的设备做更多的事,“这就是一件好事。”

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