液氮动力增程器在冷链物流运输车应用浅析_赵建新 (1).pdf

第 61 卷 第 3 期Vol.61 No.32023 年 3 月March 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言能源和环境无疑是当今世界关注的重点，汽车保有量随着时代的发展而快速增加，世界范围内的能源危机以及能源消耗导致的环境问题引起世界各国普遍重视。液氮动力增程器是一种不使用燃料的新型发动机，它是以液氮储能，并以纯粹的氮气作为工作介质，直接利用氮气膨胀做功实现功率输出的动力机械，有利于节约石油资源、减少能源利用造成的污染，具有噪声污染小、结构更加紧凑、制造成本低、发动机经济性能高等特点，是未来替代石油发动机的理想解决方案之一，因此世界上很多国家都在研发液氮发动机1。近年来，在互联网的普及下，人们的生活方式发生了改变，网购、生鲜电商、蔬果宅配、医药等都是当下消费热门，尤其是疫苗运输，运输环节十分重要。受益于这类消费的增长，国内外冷链物流市场也得到快速发展。推广液氮增程器冷链运输车不失为一种理想的方案。1 液氮增程器的基本原理和主要用途1.1 基本原理液氮动力，是利用液氮在密闭系统中汽化成氮气时体积膨胀近千倍产生的高压势能，经控制系统送入气动发动机旋转做功，对外输出动力的技术体系。液氮动力技术，是一项以液氮为“燃料”驱动发动机的、既不需要动力电池和燃料电池，也不需要燃油的新能源应用技术。液氮动力系统原理图如图 1 所示。doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.03.035液氮动力增程器在冷链物流运输车应用浅析赵建新，吴舟（455000 河南省 安阳市 安阳职业技术学院）摘要 结合可持续发展和绿色制造，针对冷链物流运输车续航里程短、车身质量大、需要配置额外的制冷装置等缺点，分析了液氮物流车的现状，提出液氮增程器与冷链物流运输车的结合，介绍了液氮增程器的基本原理和主要用途，并对结合后的纯电动冷链车进行了优缺点的分析，详细介绍了其性能特点，根据国内冷链车市场预测，分析了冷链物流运输车的发展情况，提出推广液氮增程器冷链运输车不失为一种理想的方案。关键词 液氮；增程器；冷链运输；续驶里程 中图分类号 U464 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)03-0163-03引用格式：赵建新,吴舟.液氮动力增程器在冷链物流运输车应用浅析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(3):163-165.Application of liquid nitrogen power range extender in cold chain logistics transport vehicleZHAO Jianxin,WU Zhou(Anyang Vocational and Technical College,Anyang 455000,Henan,China)Abstract Combined with sustainable development and green manufacturing,aiming at the disadvantages of cold chain transport vehicles such as short driving range,large vehicle weight,and the need for additional refrigeration devices,the combination of liquid nitrogen power range extender and pure electric cold chain transport vehicle is introduced,which has many advantages,such as increasing the driving range of the transport vehicle,reducing the weight of the whole vehicle and eliminating the need for refrigeration device.With the progress of science and technology,liquid nitrogen dynamic range extender has broad application prospects in the field of cold chain transportation.Key words liquid nitrogen;range extender;cold chain transportation;driving range收稿日期：2022-01-12 图 1 液氮动力系统原理图Fig.1 Schematic diagram of liquid nitrogen power system蒸发器电动机发电机储气筒制冷设备等气动发动机动力电池压力继电器液氨罐泵164农业装备与车辆工程 2023 年液氮动力汽车，就是利用液氮动力技术在传统汽车的基础上，通过一些“小手术”将内燃机改造成液氮动力发动机，并以液氮气源系统替代原有的点火、供油、冷却、空调、启动系统后，使之从内燃机汽车变身为不再烧油的液氮动力汽车。在这个转变过程中，传统汽车企业的生产线、生产工艺、产业工人等都不变，变的只是个别零部件的模具、结构和尺寸。所以，液氮动力汽车的生产对传统汽车产业具有完全的兼容性。1.2 主要用途无论在国内还是国外，液氮在大中型空分厂属于副产品，因此价格普遍很低，并且存在浪费现象。液氮作为一种低温储能方式，应用于驱动车辆是对能源的合理优化利用的一种切实可行的手段。在工业中，液态氮由空气分馏而得。先将空气净化后，可以将大气中的污染物滤除，净化后的氮气用于发动机做功后排入空气中，这个过程相当于一个空气净化的过程。随着液氮动力增程器的广泛推广应用，城市中的大气环境将不断得到改善。液氮刚开始使用时主要是在工业生产中进行冷冻处理，现在越来越多的地方使用液氮进行冷冻降温。冷藏运输是食品工业中很重要的一部分，开发液氮制冷技术，发展液氮冷藏火车、冷藏汽车及冷藏集装箱是现今国际上的共同发展趋势。经济发达国家多年的应用实践表明，液氮制冷系统是唯一在商业上可与机械制冷系统相竞争的冷藏保鲜技术，也是食品冷藏运输的发展方向。2 液氮增程器与电动车的结合目前纯电动冷链车的缺点是：（1）使用电池为唯一动力，存在续航里程较短、电量消耗快、电池质量大等问题；（2）充电时间较长，车辆使用频次高或路程远，将会导致充电时间长，充电频繁甚至电池过热等问题；（3）在制冷厢体中配有空调压缩机，需要不断消耗电池的电量进行制冷，从而加速电池能量消耗，降低续驶里程。液氮动力增程器具有快速充装的无害化运行特点，与内燃机有相同的操控性能。与车辆匹配的便携式液氮动力发电机组具有输出功率响应便捷，性能稳定的特点，可取代现有的燃油增程器，既可减少电池包用量，又可降低车辆制造成本2。目前，国内投入运营的纯电动车主要包括电动摩托车、轿车、货运车、客运车和冷链车几大类。其中，货运车、客运车和冷链车遇到的实际困难是电池质量大，压缩了有效载荷，续航里程短，延长了充电时间等，严重影响其工作效率和整车性能。因此，应用液氮动力技术与不同型号的内燃机结合，生产多种型号的环保发电机组与之匹配，是新能源汽车市场的刚需，也是发展新能源动力技术的方向之一。不同的新能源冷链车特点对比如表1所示3。表 1 各车型特性对比表Tab.1 Comparison of characteristics of each vehicle type车型特点纯电动汽车电池重量大；需安装冷冻机，耗电；续航里程短；环保无污染氢燃料电池汽车加氢时间短；费用高；需安装冷冻机，耗电；环保无污染；罐体压强大，为 3570 MPa液氮增程器汽车不需安装冷冻机及压缩机；制造、维修、使用成本低；降低车身重量；环保无污染；液罐体积较大；罐体压强小，小于 5 MPa3 国内冷链物流车市场预测图 2 数据显示，2020 年我国冷链物流行业的市场规模约 3 729 亿元，比 2019 年增长 338 亿元，同比增长 10%。据中商产业研究院预测，2021 年我国冷链物流行业市场规模将突破 4 117 亿元，2022 年规模甚至更高。4 目前冷链车的原理及其特点冷藏汽车按照制冷方式分为机械制冷、水冰及盐制冷、干冰制冷、冷板制冷及液氮制冷等4。各制冷方式特性对比见表 2。5 液氮增程器运用在冷链车上的优势与劣势5.1 主要优势液氮动力增程器是利用液氮动力发动机与发电机结合，构成的便携式发电机组。可对电动汽车电池进行实时补流，提供全天候的充电宝式连接，解决其充电慢、续航短的问题。液氮属于超低温液体，系统工作时需要大量吸热，因此在与电动冷链图 2 中国冷链物流市场规模预测图Fig.2 Forecast of Chinas cold chain logistics market scale2016 2017 2018 2019 2020 2021年份市场规模/亿元5 0004 0003 0002 0001 00002 2102 5502 8863 3913 7294 117165第 61 卷第 3 期车配套时，不需要额外安装冷冻机，不需要空气压缩机、保温板等，也不需要担心电池过热导致燃爆风险等问题5。在增程器的运作过程中，冷藏柜就是增程器动力来源之一，使用过程中，柜体会向外散发热量，利用液态氮转化为气体膨胀的能量作为动力源6。液氮增程器不用燃油，不燃不爆，容器压强低，不超 5 MPa；液氮增程器无废气排放，驱动过程没有化学变化，环保节能，可谓零排放零污染。氮气约占地球大气总量的 78%，成本低廉，液氮的售价是 400800 元/t，且液氮发电机组的造价与传统燃油发电机组无异，即使用几升液氮发一度电，其经济性依然可取7；液氮属低温物质，可延长各类设备使用寿命，及时为电池降温，减少车件损耗，维修费用低廉。此结构简单，可减少电池用量、减轻车身重量、减少车胎损耗、缩短充电时间，增加续航里程。液氮增程器动力强劲，是柴油发动机 5 倍以上扭矩，非常适用山区较陡路段运输。液氮增程器不惧严寒酷暑和高原缺氧，动力充沛，在西藏地区尤其适用。温度调节范围广，甚至可运输海鲜肉食、化学制剂等。增程器制冷的同时，可以发出电能使车辆续航加长，减少停留充电时间，跟电动汽车能耗相当。5.2 主要劣势目前汽车产业液氮的产业链布局待进一步建设，需要进一步开展液氮增程器与电动商用车的结合验证，综合验证各项性能；机械转换效率较低，导致储能液氮罐体积大等问题需要进一步改善。而且，相关的技术参数待进一步有效验证。目前国内研究相关的院校及机构对液氮增程器的研究较少，需要得到政府的政策引导与支持。6 结语针对当下冷链市场的快速发展，介绍了液氮增程器和现有纯电动冷链运输车的结合优点和缺点，详细介绍了其实际性能特点，分析了冷链物流运输车的发展情况，提出推广液氮增程器冷链运输车不失为一种理想的方案，为液氮增程器在冷链市场的发展提供了一定的参考。参考文献1 齐 馨.我 国 低 温 冷 藏 车 研 究 综 述 J.企 业 技 术 开发,2015,34(30):3-4.2 董东晓,一种液氮气动发电增程器:202021407561 P,2021-06-29.3 施敏敏,章学来,王文国,等.蓄冷式冷藏运输车的设计研究C.第六届全国食品冷藏链大会论文集.上海,2008.4 贺廉云.冷藏车制冷方式分析与研究 J.时代农机,2017,44(1):79-80.5 元广杰.液氮发动机理论与实验研究D.杭州:浙江大学,2004.6 程一步.氢燃料电池技术应用现状及发展趋势分析 J.石油石化绿色低碳,2018,3(2):5-13.7 谢如鹤.国外冷藏运输技术发展现状与趋势 J.制冷与空调,2013,13(8):35-37.作者简介 赵建新（1990-），男，河南安阳人，硕士，中级工程师，现主要从事机械设计与制造的教学和