Сжатый воздушный автомобиль

Автомобиль с пневматическим приводом — это пневматический автомобиль, в котором используется двигатель, работающий на сжатом воздухе. Автомобиль может питаться исключительно воздухом или комбинироваться (как в гибридном электромобиле) с бензином, дизельным топливом, этанолом или электростанцией с рекуперативным торможением.

обзор
Стационарные воздушные двигатели можно найти в различных машинах и инструментах.

Различные нишевые приложения с приводом сжатого воздуха, такие как трамваи в Берне и воздушные локомотивы, например. Б. в строительстве туннелей Готтарда или минных локомотивов, были реализованы в прошлом. Многие из этих специальных приложений теперь заменены системами электроприводов, которые проще, а также без выбросов.

Промышленные паровые локомотивы имеют аналогичную концепцию и технологию.

история
Еще в 1838 году в Париже был изобретен пневматический автомобиль Adraud и Tessié du Motay, представленный в 1840 году. На железнодорожном транспорте этот тип дисков был первым в 1879 году на трамвае в Нанте (Франция). Системы были разработаны французским инженером польского происхождения Луи Мекарски.
Американский производитель MacKenzie & McArthur в Нью-Хейвене (Коннектикут) и компания Autocrat Manufacturing Company в Хартфорде (штат Коннектикут) занимались автомобилем с сжатым воздухом. Название American Pneumatic должно носить автомобиль с пневматическим приводом, планирование которого было объявлено в феврале 1900 года Американской автомобильной компанией. Кроме того, не были проданы самолеты марки Automatic Air, Carrol, Meyers, Muir и Pneumatic. Согласно раннему американскому торговому журналу The Hub был в 1899 году в штате Делавэр, автомобильная компания Соединенных Штатов с огромным акционерным капиталом в 25 миллионов долларов США. с целью «разработки изобретений Stackpole и Francesco и для производства автомобилей среднего размера со сжатым воздухом». Компания упоминается в 1900 году по адресу 1129 Broadway в книге Horseless Vehicles, Automobiles and Motorcycles of Hiscox и все еще находится в 1911 году в Реестре города Нью-Йорк на базе 52 Broadway. То, что было достигнуто в результате этого огромного инвестирования капитала, неясно.

свойства
Привод сжатого воздуха работает без процессов горения и без риска возникновения искрения, как это существует в электрических системах. Поэтому он очень хорошо используется во взрывоопасных средах. Б. в добыче под землей.

С другой стороны, существуют ограничения, которые говорят против использования его в качестве средства массового транспорта. Для обеспечения достаточного количества энергии привода необходимы большие (тяжелые) баллоны с сжатым воздухом. Плотность энергии системы привода уже неблагоприятна по сравнению с простыми свинцово-кислотными батареями.

Сжатый воздух — один из самых дорогих источников энергии. Их производство энергетически поражено очень большими потерями. Если тепло, генерируемое во время сжатия, не может быть использовано, оно теряется для баланса энергии. Эффективный двигатель сжатого воздуха требует многоступенчатого расширения с промежуточным нагревом и поэтому является дорогостоящим (концепция двигателя). Ослабляя сжатый воздух, происходит охлаждение двигателя. Он должен получать тепло от окружающей среды. Если это недостаточно, производительность двигателя расширения уменьшится. Этот эффект усиливается при низких температурах окружающей среды.

Технология

Двигатели
Автомобили сжатого воздуха питаются от двигателей, приводимых в движение сжатым воздухом, который хранится в резервуаре при высоком давлении, таком как 31 МПа (4500 фунтов на квадратный дюйм или 310 бар). Вместо того, чтобы приводить в движение поршни двигателя с воспламененной топливно-воздушной смесью, автомобили с сжатым воздухом используют расширение сжатого воздуха, аналогично расширению пара в паровом двигателе.

С 1920-х годов были прототипы автомобилей, причем сжатый воздух использовался в торпедных двигателях.

Резервуары для хранения
В отличие от проблем водорода, связанных с повреждением и опасностью, связанной с ударами с высоким ударом, воздух сам по себе невоспламеняем, сообщается о Seven Network’s Beyond Tomorrow, что само по себе углеродное волокно является хрупким и может расколоться при достаточном стрессе , но при этом не создает шрапнель. Баки из углеродного волокна безопасно удерживают воздух под давлением около 4500 фунтов на квадратный дюйм, что делает их сопоставимыми со стальными резервуарами. Автомобили предназначены для наполнения насосом высокого давления.

В конструкции сжатого воздуха конструкции резервуаров имеют изотермический характер; какой-то теплообменник используется для поддержания температуры (и давления) резервуара при извлечении воздуха.

Плотность энергии
Сжатый воздух имеет относительно низкую плотность энергии. Воздух при давлении 30 МПа (4500 фунтов на квадратный дюйм) содержит около 50 Втт энергии на литр (и обычно весит 372 г на литр). Для сравнения, свинцово-кислотная батарея содержит 60-75 Вт / л. Литий-ионная батарея содержит около 250-620 Втч / л. EPA оценивает плотность энергии бензина при 8 890 Втч / л; однако типичный бензиновый двигатель с эффективностью 18% может восстановить только эквивалент 1694 Вт / л. Плотность энергии системы сжатого воздуха может быть более чем удвоена, если воздух нагревается до расширения.

Чтобы увеличить плотность энергии, некоторые системы могут использовать газы, которые могут быть сжижены или затвердевать. «CO2 обеспечивает гораздо большую сжимаемость, чем воздух, когда он переходит от газообразной к сверхкритической форме».

Выбросы
Автомобили с сжатым воздухом могут быть без выбросов в выхлопных газах. Поскольку источником энергии для сжатого воздуха обычно является электричество, его общее воздействие на окружающую среду зависит от того, насколько чистым является источник этого электричества. Однако большинство авиационных автомобилей имеют бензиновые двигатели для различных задач. Эмиссию можно сравнить с половиной количества двуокиси углерода, производимой Toyota Prius (около 0,34 фунта на милю). Некоторые двигатели могут питаться иначе, поскольку в разных регионах могут быть очень разные источники энергии, начиная от источников энергии высокой эмиссии, таких как уголь, до источников энергии с нулевым уровнем выбросов. Данная область также может менять свои источники электроэнергии с течением времени, тем самым улучшая или ухудшая общие выбросы.

Однако исследование в 2009 году показало, что даже с очень оптимистичными предположениями хранение воздуха в энергоресурсах менее эффективно, чем хранение химических веществ (аккумуляторов).

преимущества
Основными преимуществами двигателя с воздушным двигателем являются

Он не использует бензин или другое топливо на основе биоуглерода.
Заправка топлива может производиться дома, но для наполнения резервуаров до полного давления потребуются компрессоры на 250-300 бар, которые обычно не доступны для использования в домашних условиях, учитывая опасность, присущую этим уровням давления. Как и в случае с бензином, автозаправочные станции должны будут установить необходимые воздушные объекты, если такие автомобили станут достаточно популярными, чтобы гарантировать это.
Двигатели сжатого воздуха снижают стоимость производства транспортных средств, потому что нет необходимости строить систему охлаждения, свечи зажигания, стартер или глушители.
Частота саморазряда очень низкая против батарей, которые с течением времени истощают их заряд медленно. Поэтому транспортное средство может оставаться неиспользованным в течение более длительного периода времени, чем электрические автомобили.
Расширение сжатого воздуха снижает его температуру; это может быть использовано для использования в качестве кондиционера.
Сокращение или устранение опасных химических веществ, таких как бензин или аккумуляторные кислоты / металлы
Некоторые механические конфигурации могут обеспечить восстановление энергии во время торможения за счет сжатия и хранения воздуха.
В шведском университете Лунда сообщается, что автобусы могут видеть повышение топливной эффективности до 60 процентов с использованием воздушно-гибридной системы. Но это относится только к концепциям гибридного воздуха (из-за восстановления энергии при торможении), а не только для транспортных средств, работающих только с воздушным потоком.

Недостатки
Основными недостатками являются этапы преобразования и передачи энергии, поскольку каждый из них по своей сути имеет потерю. Для автомобилей с двигателем внутреннего сгорания энергия теряется, когда химическая энергия в ископаемом топливе преобразуется двигателем в механическую энергию. Для электрических автомобилей электричество электростанции (из любого источника) передается на аккумуляторы автомобиля, которое затем передает электричество двигателю автомобиля, которое преобразует его в механическую энергию. Для автомобилей с сжатым воздухом электричество электростанции передается в компрессор, который механически сжимает воздух в бак автомобиля. Затем двигатель автомобиля преобразует сжатый воздух в механическую энергию.

Дополнительные проблемы:

Когда воздух расширяется в двигателе, он резко остывает и должен нагреваться до температуры окружающей среды с помощью теплообменника. Нагрев необходим для получения значительной доли теоретической энергии. Теплообменник может быть проблематичным: в то время как он выполняет аналогичную задачу с интеркулером для двигателя внутреннего сгорания, разница в температуре между входящим воздухом и рабочим газом меньше. При нагревании хранящегося воздуха устройство становится очень холодным и может охлаждаться в прохладном, влажном климате.

Это также приводит к необходимости полного обезвоживания сжатого воздуха. Если в сжатом воздухе имеется какая-либо влажность, двигатель останавливается из-за внутренней обледенения. Удаление влаги полностью требует дополнительной энергии, которая не может быть повторно использована и потеряна. (В летнее время на 10 г воды на кубический метр воздуха вы должны вытащить 900 г воды в 90 м3, с энтальпией испарения 2,26 МДж / кг вам потребуется теоретически минимально 0,6 кВтч, технически, с холодной сушкой эта цифра должна быть умножена на 3 — 4. Кроме того, обезвоживание может производиться только с помощью профессиональных компрессоров, так что домашняя зарядка будет полностью невозможной или, по крайней мере, не по разумной цене.)
И наоборот, когда воздух сжимается для заполнения резервуара, его температура увеличивается. Если сохраненный воздух не охлаждается, когда резервуар заполняется, то, когда воздух охлаждается позже, его давление уменьшается, и доступная энергия уменьшается.

Чтобы уменьшить это, резервуар может быть оснащен внутренним теплообменником для быстрого и эффективного охлаждения воздуха во время зарядки.
В качестве альтернативы пружину можно использовать для хранения работы с воздухом, когда она вставлена ​​в резервуар, тем самым поддерживая разницу в низком давлении между резервуаром и зарядным устройством, что приводит к более низкому повышению температуры передаваемого воздуха.

Заправка контейнера сжатым воздухом с использованием домашнего или низкосортного обычного воздушного компрессора может занять до 4 часов, хотя специализированное оборудование на станциях технического обслуживания может заполнять резервуары всего за 3 минуты. Для хранения 2,5 кВтч при 300 бар в 300 литровых резервуарах (90 м3 воздуха @ 1 бар) требуется около 30 кВтч энергии компрессора (с одноступенчатым адиабатическим компрессором) или ок. 21 кВтч с промышленным стандартным многоступенчатым блоком. Это означает, что мощность компрессора 360 кВт необходима для заполнения резервуаров в течение 5 минут от одноступенчатой ​​установки или 250 кВт для многоступенчатой. Однако интеркулирование и изотермическое сжатие намного эффективнее и практичнее, чем адиабатическое сжатие, если установлены достаточно большие теплообменники. Эффективность до 65% может быть достигнута (тогда как эффективность тока для крупных промышленных компрессоров составляет не более 50%), однако это ниже, чем эффективность Кулона с свинцово-кислотными батареями.

Общая эффективность транспортного средства, использующего накопитель энергии сжатого воздуха, с использованием вышеуказанных показателей заправки составляет около 5-7%. Для сравнения, эффективность коленчатого вала обычной трансмиссии внутреннего сгорания составляет около 14%,

Ранние испытания продемонстрировали ограниченную емкость резервуаров; единственный опубликованный тест транспортного средства, работающего только на сжатом воздухе, ограничивался диапазоном 7,22 км.

Исследование, проведенное в 2005 году, показало, что автомобили, работающие на литиево-ионных батареях, выходят за пределы сжимаемого воздуха и транспортных средств на топливных элементах более чем в три раза с одинаковой скоростью. MDI заявила в 2007 году, что воздушный автомобиль сможет проехать 140 км в городском вождении и иметь дальность 80 км с максимальной скоростью 110 км / ч (68 миль в час) на автомагистралях при работе только на сжатом воздухе, но как в августе 2017 года еще предстоит создать автомобиль, который соответствует этой производительности.

В Исследовательском письме Университета Беркли 2009 года было обнаружено, что «даже при очень оптимистичных предположениях автомобиль с пневматическим приводом значительно менее эффективен, чем аккумуляторный электромобиль, и производит больше выбросов парниковых газов, чем обычный газовый автомобиль с мощным энергетическим соединением». Однако они также предположили, что «гибрид пневматического сжигания является технологически выполнимым, недорогим и в конечном итоге может конкурировать с гибридными электромобилями».

Он часто сопровождается небольшим бензиновым двигателем, который помогает ему выполнять различные задачи, такие как запуск и поддержание рабочих скоростей. Этот двигатель выделяет углекислый газ.

Безопасность при столкновении
Требования безопасности, предъявляемые к легким воздушным танкам транспортных средств при серьезных столкновениях, не были проверены. Североамериканские краш-тесты еще не проводились, и скептики сомневаются в способности сверхлегкого транспортного средства, собранного с использованием адгезивов, для получения приемлемых результатов безопасности при столкновении. Шива Венкат, вице-президент MDI и генеральный директор Zero Pollution Motors, утверждает, что автомобиль проведет краш-тестирование и выполнит стандарты безопасности США. Он настаивает на том, что миллионы долларов, вложенных в AirCar, не будут напрасны. На сегодняшний день никогда не было легкого, 100-миллиметрового автомобиля на галлон, который прошел североамериканские краш-тесты. Технологические достижения могут вскоре сделать это возможным, но AirCar еще предстоит доказать, и вопросы безопасности столкновения остаются.

Ключом к достижению приемлемого диапазона с воздушным автомобилем является снижение мощности, необходимой для вождения автомобиля, насколько это практически возможно. Это подталкивает конструкцию к минимизации веса.

Согласно докладу Национальной администрации безопасности дорожного движения правительства США, среди 10 различных классов пассажирских автомобилей «очень маленькие автомобили» имеют самый высокий уровень смертности на милю. Например, человек, управляющий 12 000 миль в год в течение 55 лет, будет иметь 1% -ный шанс быть вовлеченным в смертельный несчастный случай. Это вдвойне показатель летальности самого безопасного класса автомобилей — «большой автомобиль». Согласно данным в этом отчете, число смертельных аварий на милю слабо коррелирует с весом транспортного средства, имеющим коэффициент корреляции только (-0,45). Более сильная корреляция наблюдается с размером транспортного средства в пределах его класса; например, «большие» автомобили, пикапы и внедорожники имеют более низкие показатели летальности, чем «маленькие» автомобили, пикапы и внедорожники. Это относится к 7 из 10 классов, за исключением средних транспортных средств, где минивэны и автомобили среднего размера относятся к самым безопасным классам, а внедорожники среднего размера являются вторыми, наиболее смертельными после очень маленьких автомобилей. Несмотря на то, что более тяжелые транспортные средства иногда являются статистически безопасными, это не обязательно дополнительный вес, который заставляет их быть более безопасными. В отчете NHTSA говорится: «Более тяжелые транспортные средства исторически сделали лучшую работу по амортизации своих пассажиров при авариях. Их более длинные колпаки и дополнительное пространство в отсеке для пассажиров обеспечивают возможность более постепенного замедления транспортного средства и пассажира внутри транспортного средства. .. Хотя можно предположить, что легкие транспортные средства могут быть построены с такими же длинными капюшонами и мягкими импульсами торможения, вероятно, потребуются значительные изменения в материалах и конструкции и / или снятие веса с их двигателей, аксессуаров и т. Д.

Воздушные автомобили могут использовать шины с низким сопротивлением качению, которые обычно обеспечивают меньшую степень сцепления, чем обычные шины. Кроме того, вес (и цена) систем безопасности, таких как подушки безопасности, ABS и ESC, может препятствовать тому, чтобы производители включили их.

Разработчики и производители
Различные компании инвестируют в исследования, разработку и внедрение автомобилей с сжатым воздухом. Неоптимистические сообщения о предстоящей продукции датируются по меньшей мере в мае 1999 года. Например, MDI Air Car публично дебютировал в Южной Африке в 2002 году и, как прогнозировалось, будет в производстве «в течение шести месяцев» в январе 2004 года. По состоянию на январь 2009 года , воздушный автомобиль никогда не входил в производство в Южной Африке. Большинство разрабатываемых автомобилей также полагаются на использование подобной технологии для автомобилей с низким энергопотреблением, чтобы увеличить дальность и производительность своих автомобилей. [Необходимость разъяснения]

MDI
MDI предложила ряд транспортных средств, состоящих из AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir и MultiFlowAir. Одним из основных нововведений этой компании является ее реализация «активной камеры», которая представляет собой отсек, который нагревает воздух (с помощью топлива), чтобы удвоить выходную мощность. Это «новшество» впервые было использовано в торпедах в 1904 году.

Tata Motors
По состоянию на январь 2009 года Tata Motors India планировала запустить автомобиль с двигателем сжатого воздуха MDI в 2011 году. В декабре 2009 года вице-президент Tata по инженерным системам подтвердил, что ограниченный диапазон и низкие температуры двигателя вызывают проблемы.

Tata Motors объявила в мае 2012 года, что они оценили этап прохождения проекта 1, «доказательство технической концепции» в направлении полного производства для индийского рынка. Tata перешла на этап 2, «завершая детальное проектирование двигателя сжатого воздуха в конкретные транспортные средства и стационарные применения».

В феврале 2017 года д-р Тим Левертон, президент и руководитель подразделения Advanced and Product Engineering в Tata, был в состоянии «начать индустриализацию», и первые транспортные средства были доступны к 2020 году. Другие отчеты указывают, что Tata также рассматривает планы возрождения сжатого воздуха Tata Nano, который ранее рассматривался в рамках их сотрудничества с MDI.

Engineair
Engineair — австралийская компания, которая выпустила прототипы самых разных прототипов небольших автомобилей, используя инновационный роторный воздушный двигатель, разработанный Анджело Ди Пьетро. Компания ищет коммерческих партнеров для использования своего двигателя.

Peugeot / Citroën
Peugeot и Citroën объявили, что они намерены построить автомобиль, который использует сжатый воздух в качестве источника энергии. Тем не менее, автомобиль, который они проектируют, использует гибридную систему, которая также использует бензиновый двигатель (который используется для перемещения автомобиля более 70 км / ч, или когда резервуар сжатого воздуха исчерпан). В январе 2015 года появилось «Разочарование новостей из Франции: PSA Peugeot Citroen поставила неопределенный срок на разработку своего перспективного силового агрегата Hybrid Air, по-видимому, потому, что компания не смогла найти партнера по разработке, желающего разделить огромные расходы инженерной системы «. Стоимость разработки оценивается в 500 миллионов евро для системы, которая, по-видимому, должна быть установлена ​​примерно на 500 000 автомобилей в год, чтобы иметь смысл. Руководитель проекта покинул Peugeot в 2014 году.

APUQ
APUQ (Association de Promotion des Usages de la Quasiturbine) сделал автомобиль APUQ Air Car, автомобиль с квазитурбиной.

критика
В исследовании Калифорнийского университета в Беркли было проведено сравнение между бензиновым автомобилем, электромобилем с аккумуляторной батареей и пневматическим вагоном с точки зрения выбросов парниковых газов, расходами на топливо, потреблением первичной энергии и объемом резервуара, относящимся к штату Калифорния. Объектами сравнения были обычные Smart Fortwo, аккумулятор Smart Smart Fortwo EDand и гипотетический пневматический автомобиль. Технические параметры транспортного средства для сжатого воздуха, если неизвестно, оценивались оптимистично. Что касается выбросов парниковых газов, расходов на топливо и объема резервуара, автомобиль с воздушным управлением в Калифорнии значительно хуже, чем бензин или аккумулятор. Только с точки зрения потребления первичной энергии было преимущество перед бензиновым автомобилем, но только при работе с возобновляемой энергией. Аккумуляторная батарея выполнена значительно лучше, чем автомобиль с сжатым воздухом во всех отношениях.

Дальнейшая критика MDI в настоящее время осуществляется нынешними и бывшими деловыми партнерами, в основном в отношении обещанных услуг и передач технологий, которые никогда не выполнялись.