用液氮为动力的汽车
液氮动力汽车发展的需求随着汽车工业的迅速发展和人类生活水平的不断提高, 世界各国的公路和汽车数量急剧增加,结果, 随之而来的汽车尾气对人类生存环境造成的污染就变得越来越严重,因此, 许多国家为了控制污染,制定了有关法规和环境质量标准, 并投入了很大的财力和物力来治理已造成的污染。除了通过对燃油汽车发动机本身的性能改进来减少尾气中有害成分外, 液化天然气( L N G )、压缩天然气 ( C N G ) 和石油气( L P G/ C P G )燃料汽车在国外已经得到了很好的应用, 而且在我国的几个大城市也已在公交车辆上尝试使用。通过使用轻烃低碳类燃料代替现用燃油能大大减少尾气对环境的污染,但它仍然存在少量污染, 所以有些国家正在计划发展电动汽车( E V )。美国的加州为了改善城市空气质量满足联邦标准, 在1990 年通过了一项法律, 规定:从 1998 年开始, 州内所有新销售的车辆中,这种“零排放”车辆至少要占 2% , 到 2003 年比例要增加到 10%。
在 1980 年前后 J D ooley 教授的研究组成功研制出了一辆实际大小的概念汽车, 它使用内燃机燃烧器来蒸发和加热液氮和氮气到 1 000 K 的 Rankine 动力循环。这一概念汽车与传统汽车相比, 在运行费用相当的情况下, 具有相同的性能, 但它大大降低了燃油的消耗。很明显,要以将来的发展为根据衡量这一技术与汽油发动机相比的经济性, 在当时这一技术还不是有足够的优势。无论怎样,室温空气有足够大的焓来加热蒸发液氮, 而空气流本身仅有几度的温降, 所以, 对推动小型汽车似乎没有必要使用高温燃烧器。这种新型低温液氮汽车于90 年代初在美国获得了研究和发展 。
液氮汽车
零排放液氮汽车的动力系统非常像传统的蒸汽发动机, 而且利用了亚室温应用机械的优点。液氮膨胀机在做功冲程中依靠循环流体维持汽缸壁温尽可能高来增强热传递。图 1表示了一个仅使用环境大气加热低温工作流体的 R anking 动力循环系统的原理流程。用一个绝热的“燃料”箱贮存大气压力下 77 K 的液氮,用一个低温泵将液氮从液氮箱的底部抽出并增压到系统的操作压力,然后带压液氮通过一个节能器和一个空气加热器被加热汽化和过热,使其温度升高到略低于室温。最后将有一定压力的氮气喷入汽缸, 推动活塞作功。为了进一步提高系统效率,可在汽缸外壁增加加热循环, 使膨胀过程更接近等温膨胀。
液氮 Ranking 动力循环系统的原理流程
液氮汽车“零排放”动力系统概念具有很多内燃机和电化学电池车辆所没有的环境优势,并且具有低的操作成本、足够的动力和合理的能源效率。这种“零排放汽车”被称为“低温汽车”。