液氮发动机

液氮车辆由储存在罐中的液氮提供动力。传统的氮气发动机设计通过在热交换器中加热液氮，从环境空气中提取热量并使用产生的加压气体来操作活塞或旋转马达来工作。由液氮驱动的车辆已被证明，但尚未在商业上使用。1902年展示了一种这样的车辆，液体空气。液氮推进也可以结合在混合动力系统中，例如电池电力推进和燃料箱以给电池充电。这种系统被称为混合液氮电推进。此外，再生制动也可以与该系统结合使用。液氮汽车的一个优点是废气只是氮气，它是空气的一种成分，因此它不会在尾气排放中产生局部空气污染。这并不能使其完全无污染，因为首先需要能源来液化氮，但液化过程可以远离车辆操作，原则上可以由可再生能源或清洁能源提供动力。

液氮由低温或反向斯特林发动机冷却器产生，该冷却器将空气的主要成分氮(N2)液化。冷却器可以由电力或通过水力或风力涡轮机的直接机械工作提供动力。液氮被分配并储存在绝缘容器中。隔热层减少了流入储存氮气的热量；这是必要的，因为来自周围环境的热量会使液体沸腾，然后转变为气态。减少流入的热量可以减少储存过程中液氮的损失。存储要求阻止使用管道作为运输工具。由于长距离管道由于绝缘要求而成本高昂，因此使用远距离能源生产液氮的成本很高。石油储量通常距离消耗很远，但可以在环境温度下转移。液氮消耗本质上是反向生产。斯特林发动机或低温热机提供了一种为车辆提供动力的方法和一种发电方式。液氮还可作为冰箱、电气设备和空调装置的直接冷却剂。液氮的消耗实际上是沸腾并将氮返回到大气中。在迪尔曼发动机中，氮气通过与发动机气缸内的热交换流体结合来加热。2008年，美国专利局授予了一项关于液氮动力涡轮发动机的专利。涡轮机使喷入涡轮机高压部分的液氮闪蒸膨胀，膨胀的气体与进入的加压空气结合，产生高速气流，从涡轮机后部喷出。产生的气流可用于驱动发电机或其他设备。该系统尚未被证明可以为大于1kW的发电机供电，但可能有更高的输出。

尽管液氮比环境温度低，但液氮发动机仍然是热机的一个例子。热机通过从热库和冷库之间的温差中提取热能来运行；在液氮发动机的情况下，热储存器是环境（室温）环境中的空气，用于使氮气沸腾。因此，氮气发动机从空气的热能中提取能量，其转换能量的转换效率可以使用适用于所有热机的卡诺效率方程从热力学定律中计算出来。

储存液氮的储罐的设计必须符合适用于压力容器的安全标准，例如ISO11439。储罐可由以下材料制成：

• 钢
• 铝
• 碳纤维
• 凯夫拉尔
• 其他材料或上述材料的组合。

纤维材料比金属轻得多，但通常更昂贵。金属罐可以承受大量的压力循环，但必须定期检查腐蚀情况。液氮（LN2）通常在大气压下在高达50升的隔热罐中运输。这些罐为非加压罐，无需接受检查。用于LN2的大型储罐有时会被加压至低于25psi，以帮助在使用点转移液体。

1902年展示了一种由液氮驱动的车辆，即液态空气。2016年6月，英国伦敦超市J.Sainsbury的食品配送车队将开始试验：当车辆静止且主发动机关闭时，使用Dearman氮气发动机为食品货物的冷却提供动力。目前，送货卡车大多配备第二台较小的柴油发动机，以便在主发动机关闭时为冷却提供动力。

与其他非燃烧储能技术一样，液氮汽车将排放源从汽车尾管转移到中央发电厂。在有无排放源的情况下，可以减少污染物的净产量。中央发电厂的排放控制措施可能比处理广泛分散的车辆的排放更有效且成本更低。

液氮汽车在许多方面与电动汽车相当，但使用液氮而不是电池来存储能量。与其他车辆相比，它们的潜在优势包括：

• 就像电动汽车一样，液氮汽车最终将通过电网供电，这使得人们更容易专注于减少单一来源的污染，而不是道路上的数百万辆汽车。
• 由于从电网中汲取电力，因此不需要运输燃料。这带来了显着的成本效益。燃料运输过程中产生的污染将被消除。
• 降低维护成本
• 液氮罐可以以比电池更少的污染进行处置或回收。
• 液氮车辆不受与当前电池系统相关的退化问题的限制。
• 与电池充电相比，油箱可能能够更频繁地在更短的时间内被重新填充，重新填充燃料的速度可与液体燃料相媲美。
• 它可以作为联合循环动力系统的一部分与汽油或柴油发动机一起工作，利用其中一个的废热在涡轮复合系统中运行另一个。它甚至可以作为混合系统运行。

主要缺点是一次能源的低效利用。能量用于液化氮气，而氮气又提供了运行电机的能量。任何能量转换都有损失。对于液氮汽车来说，电能在氮气的液化过程中会损失掉。公共加油站没有液氮；然而，大多数焊接气体供应商都有分配系统，液氮是液氧生产的丰富副产品。

液氮生产是一个能源密集型过程。目前，生产几吨/天液氮的实用制冷设备以大约50%的卡诺效率运行。目前，过剩的液氮作为生产液氧的副产品产生。

任何依赖于物质相变的过程将具有比涉及物质中化学反应的过程低得多的能量密度，而后者又比核反应具有更低的能量密度。作为能量储存器的液氮具有较低的能量密度。相比之下，液态烃燃料具有高能量密度。高能量密度使运输和存储的物流更加方便。便利性是消费者接受度的一个重要因素。石油燃料的方便储存及其低成本已取得了无与伦比的成功。此外，石油燃料是一种主要能源，而不仅仅是一种能量储存和运输介质。能量密度——源自氮气的等压汽化热和气态比热——理论上可以在大气压和27°C环境温度下由液氮实现，约为每公斤213瓦时(W·h/kg)，而在实际情况下通常只能达到97W·h/kg。相比之下，锂离子电池为100–250W·h/kg，以28%的热效率运行的汽油内燃机为3,000W·h/kg，是卡诺效率下使用的液氮密度的14倍。为了使等温膨胀发动机具有与内燃机相当的范围，需要一个350升（92美制加仑）的隔热车载存储容器。实用的容量，但比典型的50升（13美制加仑）汽油箱显着增加。添加更复杂的动力循环将减少这一要求并有助于实现无霜运行。然而，目前还没有将液氮用于车辆推进的商业实践实例。

与内燃机不同，使用低温工作流体需要热交换器来加热和冷却工作流体。在潮湿的环境中，结霜会阻止热流，因此是一项工程挑战。为了防止结霜，可以使用多种工作流体。这增加了顶部循环，以确保热交换器不会低于冰点。为了实现无霜运行，将需要额外的热交换器、重量、复杂性、效率损失和费用。

无论氮燃料箱的隔热效果如何，都不可避免地会因蒸发到大气中而造成损失。如果将车​​辆存放在通风不良的空间，则存在泄漏氮气可能会降低空气中的氧气浓度并导致窒息的风险。由于氮气是一种无色无味的气体，已占空气的78%，因此很难检测到这种变化。如果溢出，低温液体是危险的。液氮会导致冻伤，并使某些材料变得非常脆。由于液氮的温度低于90.2K，因此大气中的氧气会凝结。液氧可以与有机化学物质发生自发的剧烈反应，包括沥青等石油产品。由于这种物质的液气膨胀比为1:694，如果液氮迅速汽化，会产生巨大的力。