Пневматическая машина - Compressed air car

«Воздушная машина» перенаправляется сюда. О легком самолете-амфибии см. Спенсер Эйр Кар.
Тата / MDI OneCAT

А автомобиль со сжатым воздухом это автомобиль с сжатым воздухом который использует двигатель с приводом от сжатый воздух. Автомобиль может приводиться в действие исключительно от воздуха, либо комбинированный (как в гибридном электромобиле) с бензин, дизель, этиловый спирт, или электростанция с рекуперативное торможение.

Технология

Двигатели

Основная статья: Пневматический двигатель

Пневматические автомобили приводятся в движение двигателями с приводом от сжатый воздух, который хранится в бак при высоком давлении, таком как 31 MПа (4500 фунтов на кв. Дюйм или 310 бар). Вместо того, чтобы приводить в движение поршни двигателя с воспламененной топливно-воздушной смесью, автомобили со сжатым воздухом использовать расширение сжатого воздуха аналогично расширению пара в паровой двигатель.

С 1920-х годов существуют прототипы автомобилей, в которых используется сжатый воздух. торпеда движение.

Резервуары для хранения

Основная статья: Резервуар сжатого воздуха

В отличие от водородных проблем, связанных с повреждениями и опасностями, связанными с авариями с сильными ударами, воздух сам по себе негорючий, сообщалось в Семь сетей Beyond Tomorrow что само по себе углеродное волокно хрупкий и может расколоться при достаточном напряжении, но не создает шрапнель когда это произойдет. Резервуары из углеродного волокна надежно удерживают воздух под давлением около 31 МПа, что делает их сопоставимыми со стальными резервуарами. Машины рассчитаны на заправку от насоса высокого давления.

В транспортных средствах со сжатым воздухом конструкции резервуаров имеют тенденцию быть изотермическими; а теплообменник какой-то тип используется для поддержания температуры (и давления) в баке по мере удаления воздуха.

Плотность энергии

Сжатый воздух имеет относительно низкий плотность энергии. Воздух в 30 МПа (около 4350 фунтов на квадратный дюйм) содержит около 50 Втч энергии на литр (и обычно весит 372 г на литр).[нужна цитата ] Для сравнения свинцово-кислотная батарея содержит 60-75 Втч / л. А литий-ионный аккумулятор содержит около 250-620 Втч / л. EPA оценивает плотность энергии бензин при 8890 Втч / л;[1] однако типичный бензиновый двигатель с КПД 18% может рекуперировать только эквивалент 1694 Втч / л. Плотность энергии системы сжатого воздуха может быть увеличена более чем вдвое, если воздух нагревается до расширения.

Для увеличения плотности энергии в некоторых системах могут использоваться газы, которые могут сжижаться или затвердевать. "CO2 предлагает гораздо большую сжимаемость, чем воздух, когда он переходит из газообразной в сверхкритическую форму ».[2]

Выбросы

Машины со сжатым воздухом могут быть выброс -бесплатно на выхлопе. Поскольку источником энергии автомобиля со сжатым воздухом обычно является электричество, его общее воздействие на окружающую среду зависит от того, насколько чистым является источник этого электричества. Однако у большинства авиамашин есть бензиновые двигатели для различных задач. Выбросы можно сравнить с половиной количества углекислого газа, производимого Toyota Prius (около 0,34 фунта на милю). Некоторые двигатели могут работать на топливе иначе, учитывая, что в разных регионах могут быть очень разные источники энергии, начиная от источников энергии с высоким уровнем выбросов, таких как каменный уголь к источникам энергии с нулевым выбросом. Данный регион также может со временем менять источники электроэнергии, тем самым улучшая или ухудшая общие выбросы.

Однако исследование 2009 года показало, что даже при очень оптимистичных предположениях хранение энергии в воздухе менее эффективно, чем химическое (аккумуляторное) хранение.[3]

Преимущества

Основные преимущества пневмодвигателя:

  • Он не использует бензин или другое топливо на основе биоуглерода.
  • Заправку можно производить дома,[4] но для наполнения резервуаров до полного давления потребуются компрессоры на 250-300 бар, которые обычно не доступны для стандартного использования в домашних условиях, учитывая опасность, присущую этим уровням давления. Как и в случае с бензином, заправочные станции должны будут установить необходимое воздушное оборудование, если такие автомобили станут достаточно популярными, чтобы это оправдать.
  • Двигатели со сжатым воздухом снижают стоимость производства транспортных средств, потому что нет необходимости строить систему охлаждения, свечи зажигания, стартер или глушители.
  • Скорость саморазряд очень низкий по сравнению с аккумуляторами, которые со временем разряжаются медленно. Таким образом, транспортное средство может оставаться неиспользованным дольше, чем электромобили.
  • Расширение сжатого воздуха снижает его температуру; это может быть использовано как кондиционер.
  • Уменьшение или устранение опасных химикатов, таких как бензин или аккумуляторные кислоты / металлы
  • Некоторые механические конфигурации могут позволить восстановление энергии при торможении сжатием и накоплением воздуха.
  • Шведский университет Лунда сообщает, что автобусы могут улучшить топливную экономичность до 60 процентов при использовании воздушно-гибридной системы.[5] Но это относится только к гибридным воздушным концепциям (из-за рекуперации энергии при торможении), а не к транспортным средствам, работающим только на сжатом воздухе.

Недостатки

Основными недостатками являются этапы преобразования и передачи энергии, поскольку каждый из них имеет потери. В автомобилях с двигателем внутреннего сгорания энергия теряется, когда химическая энергия ископаемого топлива преобразуется двигателем в механическую энергию. Для электромобилей электричество электростанции (из любого источника) передается на автомобильные батареи, которые затем передают электричество на двигатель автомобиля, который преобразует его в механическую энергию. В автомобилях, работающих на сжатом воздухе, электричество электростанции передается на компрессор, который механически сжимает воздух в баке автомобиля. Затем двигатель автомобиля преобразует сжатый воздух в механическую энергию.

Дополнительные проблемы:

  • Когда воздух в двигателе расширяется, он резко охлаждается и должен быть нагрет до температуры окружающей среды с помощью теплообменника. Нагрев необходим для получения значительной части теоретической выходной энергии. Теплообменник может быть проблемным: пока он выполняет аналогичную задачу интеркулер для двигателя внутреннего сгорания разница температур между входящим воздухом и рабочим газом меньше. При нагревании накопленного воздуха устройство становится очень холодным и может замерзнуть в прохладном влажном климате.
  • Это также приводит к необходимости полного осушения сжатого воздуха. Если в сжатом воздухе останется влажность, двигатель остановится из-за внутреннего обледенения. Для полного удаления влажности требуется дополнительная энергия, которую нельзя использовать повторно, и она теряется. (При 10 г воды на м3 воздуха - типичное значение летом - необходимо вынуть 900 г воды из 90 м3; при энтальпии парообразования 2,26 МДж / кг теоретически потребуется минимум 0,6 кВтч; технически при холодной сушке это число необходимо умножить на 3–4. Более того, обезвоживание может быть выполнено только с помощью профессиональных компрессоров, так что зарядка дома будет совершенно невозможна или, по крайней мере, не по какой-либо разумной цене.)
  • И наоборот, когда воздух сжимается для наполнения резервуара, его температура увеличивается. Если накопленный воздух не охлаждается во время наполнения бака, то, когда воздух позже остывает, его давление снижается и доступная энергия уменьшается.
    Чтобы смягчить это, бак может быть оборудован внутренним теплообменником для быстрого и эффективного охлаждения воздуха во время зарядки.
    В качестве альтернативы, пружина может использоваться для сохранения работы воздуха, когда он вставляется в резервуар, таким образом поддерживая низкую разницу давления между резервуаром и зарядным устройством, что приводит к более низкому повышению температуры перемещаемого воздуха.[нужна цитата ]
  • Заправка баллона со сжатым воздухом с помощью домашнего или недорогого обычного воздушного компрессора может занять до 4 часов, хотя специализированное оборудование на станциях обслуживания может заполнить баллоны всего за 3 минуты.[4] Для хранения 2,5 кВтч при 300 бар в резервуарах емкостью 300 л (90 м3 воздуха при 1 бар) требуется около 30 кВтч энергии компрессора (с одноступенчатым адиабатический компрессор), или прибл. 21 кВтч с многоступенчатой ​​установкой промышленного стандарта. Это означает, что для заполнения резервуаров за 5 минут от одноступенчатой ​​установки требуется мощность компрессора 360 кВт, а для многоступенчатой ​​- 250 кВт.[6] Однако промежуточное охлаждение и изотермическое сжатие гораздо более эффективно и практично, чем адиабатическое сжатие, если используются достаточно большие теплообменники. Возможно, будет достигнута эффективность до 65%,[7] (тогда как КПД по току для больших промышленных компрессоров составляет макс. 50%), однако это ниже, чем КПД кулоновского типа со свинцово-кислотными батареями.
  • Общая эффективность транспортного средства с использованием накопитель энергии сжатого воздуха, исходя из приведенных выше цифр заправок, составляет около 5-7%.[8] Для сравнения, хорошо рулить КПД обычной трансмиссии внутреннего сгорания составляет около 14%,[9]
  • Первые испытания показали ограниченную вместимость резервуаров; Единственное опубликованное испытание автомобиля, работающего только на сжатом воздухе, было ограничено дальностью 7,22 км.[10]
  • Исследование 2005 года показало, что автомобили, работающие на литий-ионные батареи превосходит как сжатый воздух, так и автомобили на топливных элементах более чем втрое на тех же скоростях.[11] MDI в 2007 году заявили, что воздушный автомобиль сможет проехать 140 км в городских условиях и иметь запас хода 80 км с максимальной скоростью 110 км / ч (68 миль в час) по шоссе,[12] при работе только на сжатом воздухе, но по состоянию на август 2017 года еще не выпустили автомобиль, который соответствовал бы этим характеристикам.
  • Исследование 2009 года показало, что «даже при весьма оптимистичных предположениях автомобиль со сжатым воздухом значительно менее эффективен, чем электромобиль с аккумулятором, и производит больше выбросов парниковых газов, чем обычный автомобиль с газовым двигателем и энергоемким углем». Однако они также предположили, что «гибрид с пневматическим сгоранием технологически осуществим, недорог и в конечном итоге может составить конкуренцию гибридным электромобилям».[13]

Безопасность при столкновении

Заявления о безопасности воздушных баллонов легких транспортных средств при серьезных столкновениях не были проверены. Краш-тесты в Северной Америке еще не проводились, и скептики сомневаются в способности сверхлегкого транспортного средства, собранного с использованием клея, обеспечивать приемлемые результаты безопасности при столкновении. Шива Венкат, вице-президент MDI и генеральный директор Zero Pollution Motors, утверждает, что автомобиль пройдет краш-тесты и будет соответствовать стандартам безопасности США. Он настаивает на том, что миллионы долларов, вложенные в AirCar, не будут напрасными. На сегодняшний день не было ни одного легкого автомобиля с расходом более 100 миль на галлон, который прошел бы краш-тесты в Северной Америке. Технологические достижения могут вскоре сделать это возможным, но AirCar еще предстоит проявить себя, и остаются вопросы безопасности столкновения.[14]

Ключом к достижению приемлемого диапазона с воздушным автомобилем является снижение мощности, необходимой для его движения, насколько это возможно. Это подталкивает дизайн к минимизации веса.

Согласно отчету правительства США Национальная администрация безопасности дорожного движения среди 10 различных классов легковых автомобилей у «очень маленьких автомобилей» самый высокий уровень смертности на милю пробега. Например, человек, проезжающий 12 000 миль в год в течение 55 лет, будет иметь 1% шанс попасть в аварию со смертельным исходом. Это вдвое больше, чем у самого безопасного класса транспортных средств - «больших автомобилей». Согласно данным в этом отчете, количество аварий со смертельным исходом на милю слабо коррелирует с массой автомобиля, имея корреляция коэффициент всего (-0,45). Более сильная корреляция наблюдается с автомобилем размер в своем классе; например, «большие» автомобили, пикапы и внедорожники имеют более низкий уровень смертности, чем «маленькие» автомобили, пикапы и внедорожники. Так обстоит дело с 7 из 10 классов, за исключением автомобилей среднего размера, где минивэны и автомобили среднего размера относятся к самым безопасным классам, а внедорожники среднего размера занимают второе место по смертоносности после очень маленьких автомобилей. Хотя иногда более тяжелые автомобили статистически безопаснее, это не обязательно масса это причины чтобы они были в большей безопасности. В отчете NHTSA говорится: «Более тяжелые автомобили исторически лучше справлялись с амортизацией пассажиров при авариях. Их более длинные капоты и дополнительное пространство в пассажирском отсеке обеспечивают возможность более постепенного замедления транспортного средства и пассажира внутри транспортного средства. .. Хотя вполне возможно, что легковые автомобили могут быть построены с такими же длинными капотами и умеренными импульсами замедления, это, вероятно, потребует серьезных изменений в материалах и конструкции и / или уменьшения веса их двигателей, принадлежностей и т. Д. »[15]

Воздушные автомобили могут использовать шины с низким сопротивлением качению, которые обычно обеспечивают меньшее сцепление с дорогой, чем обычные шины.[16][17] Кроме того, вес (и цена) систем безопасности, таких как подушки безопасности, ABS и ESC, может оттолкнуть производителей от их включения.

Разработчики и производители

Различные компании инвестируют в исследования, разработки и внедрение из Пневматические машины. Сверх оптимистичные сообщения о предстоящем производстве датируются по крайней мере маем 1999 года. Например, MDI Air Car дебютировал в Южная Африка в 2002,[18] По прогнозам, он будет запущен в производство «в течение шести месяцев» в январе 2004 года.[19] По состоянию на январь 2009 года воздушные автомобили так и не пошли в производство в Южной Африке. В большинстве разрабатываемых автомобилей также используются технологии, аналогичные технологиям с низким энергопотреблением, для увеличения дальности полета и производительности их автомобилей.[требуется разъяснение ]

MDI

Основная статья: Motor Development International

MDI предложил ряд автомобилей, состоящих из AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir и MultiFlowAir.[20] Одним из основных нововведений этой компании является реализация «активной камеры», которая представляет собой отсек, в котором воздух нагревается (за счет использования топлива) с целью удвоения выработки энергии.[21] Это «нововведение» впервые было использовано в торпеды в 1904 г.

Тата Моторс

По состоянию на январь 2009 г. Тата Моторс из Индия планировал запустить автомобиль с двигателем сжатого воздуха MDI в 2011 году.[22][23] В декабре 2009 года вице-президент Tata по инженерным системам подтвердил, что ограниченный диапазон и низкие температуры двигателя вызывают проблемы.

Tata Motors анонсировала в мае 2012 г.[24] что они оценили проект, проходящий этап 1, «доказательство технической концепции» на пути к полному производству для индийского рынка. Tata перешла ко второй фазе, «завершая детальную разработку двигателя со сжатым воздухом для конкретных транспортных средств и стационарных приложений».[25]

В феврале 2017 года д-р Тим Левертон, президент и глава подразделения Advanced and Product Engineering в Tata, сообщил, что находится на этапе «начала индустриализации», и первые автомобили будут доступны к 2020 году.[26] Другие отчеты указывают на то, что Tata также рассматривает возможность возрождения планов по выпуску пневматической версии Тата Нано,[27] которые ранее рассматривались в рамках их сотрудничества с MDI.[28]

Engineair Pty Ltd

Engineair - австралийская компания, которая произвела прототипы различных прототипов небольших транспортных средств с использованием инновационного роторного воздушного двигателя, разработанного Анджело Ди Пьетро. Компания ищет коммерческих партнеров для использования ее двигателя.[29]

Пежо / Ситроен

Peugeot и Citroën объявили, что намереваются создать автомобиль, в котором в качестве источника энергии используется сжатый воздух. Однако в автомобиле, который они проектируют, используется гибридная система, в которой также используется бензиновый двигатель (который используется для разгона автомобиля со скоростью более 70 км / ч или когда баллон сжатого воздуха исчерпан).[30][31]В январе 2015 года поступили «Неутешительные новости из Франции: PSA Peugeot Citroen на неопределенный срок приостановила разработку своей многообещающей трансмиссии Hybrid Air, по всей видимости, потому, что компания не смогла найти партнера по разработке, готового разделить огромные расходы. разработки системы ". Затраты на разработку системы оцениваются в 500 миллионов евро, которые, по-видимому, необходимо будет устанавливать примерно на 500 000 автомобилей в год, чтобы иметь смысл.[32] Руководитель проекта покинул Peugeot в 2014 году.[33]

APUQ

APUQ (Association de Promotion des Usages de la Quasiturbine) создала APUQ Air Car, автомобиль с приводом от Квазитурбина.[34]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Боулин, Бен. «Как преобразовать энергию бензина в киловатт-часы (кВтч)» В архиве 2015-01-08 в Wayback Machine, Проверено 7 января 2015 года.
  2. ^ Ольденбург, Кертис М. (2003). «Двуокись углерода как буферный газ для хранения природного газа». Энергия и топливо. 17: 240–246. Дои:10.1021 / ef020162b. Сложить резюме – Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
  3. ^ Кройтциг, Феликс; Папсон, Эндрю; Шиппер, Ли; Каммен, Даниэль М. (01.01.2009). «Экономическая и экологическая оценка пневмобаллонов». Письма об экологических исследованиях. 4 (4): 044011. Дои:10.1088/1748-9326/4/4/044011. ISSN  1748-9326.
  4. ^ а б «Автомобиль работает на сжатом воздухе, но будет ли он продаваться?». Ассошиэйтед Пресс. 4 октября 2004 г.. Получено 2008-09-12.
  5. ^ «Воздушные гибридные автомобили в будущем могут сократить вдвое потребление топлива». Asian News International. 20 марта 2011 г. Архивировано с оригинал на 31.01.2012. Получено 2012-01-26.
  6. ^ «SCA650E43 / HDF-SILENT SeaComAir Silent, 23 кубических футов в минуту, 11 кВт, электродвигатель, 400 В / 50 Гц или 60 Гц, трехфазный». Архивировано из оригинал 11 марта 2012 г.[ненадежный источник? ]
  7. ^ Боссель, Ульф (2 апреля 2009 г.). «Термодинамический анализ движения транспортного средства на сжатом воздухе» (PDF). Архивировано из оригинал (PDF) на 2012-07-17.[ненадежный источник? ]
  8. ^ «Топливо будущего». Австралийская наука. Архивировано из оригинал на 2015-04-07. Получено 30 мая 2015.
  9. ^ «Сравнение яблок с яблоками: полный анализ современных технологий автомобилей с ДВС и топливными элементами, стр.15» (PDF). Аргоннская национальная лаборатория. Архивировано из оригинал (PDF) на 2010-05-27. Получено 2010-02-08.
  10. ^ Себастьян Брауд [email protected] (21 марта 2007 г.). «Заправочные станции MDI». Архивировано из оригинал 21.03.2007. Получено 2010-12-12.
  11. ^ Патрик Мацца; Роэль Хаммершлаг. «Оценка энергии ветра к колесу» (PDF). Институт экологической оценки жизненного цикла. Архивировано из оригинал (PDF) на 2008-09-11. Получено 2008-09-12.
  12. ^ "МДИ Энтерпрайзис С.А.". Mdi.lu. Получено 2010-12-12.
  13. ^ Кройтциг, Феликс; Папсон, Эндрю; Шиппер, Ли; Каммен, Даниэль М (2009). «Экономическая и экологическая оценка пневмобаллонов». Письма об экологических исследованиях. 4 (4): 044011. Дои:10.1088/1748-9326/4/4/044011.
  14. ^ Павловский, А. (8 августа 2008 г.). «Воздушная машина на 106 миль на галлон вызывает шум, вопросы». CNN. Получено 2009-04-25.
  15. ^ Кахане, Чарльз Дж. (Октябрь 2003 г.). «Отчет о весе транспортного средства, риске смертельного исхода и столкновении для легковых и легких грузовиков 1991-99 модельного года» (PDF). Министерство транспорта США. Получено 2008-09-12.
  16. ^ «Шины с низким сопротивлением качению». Потребительские отчеты. Получено 2008-09-12.
  17. ^ «Планируемые требования ЕС к шинам снизят безопасность дорожного движения». Continental AG. Получено 2008-09-12.[мертвая ссылка ]
  18. ^ Кевин Бонсор (25 октября 2005 г.). «Как будут работать автомобили с воздушным двигателем». Как это работает. Получено 2006-05-25.
  19. ^ Робин Керноу (11 января 2004). "Унесенные ветром". The Sunday Times (Великобритания). Лондон. Получено 2006-05-25.
  20. ^ Узнайте все об автомобилях с сжатым воздухом! В архиве 2013-05-20 в Wayback Machine.
  21. ^ «Активная камера МДИ». Thefuture.net.nz. Архивировано из оригинал на 2011-05-07. Получено 2010-12-12.
  22. ^ «Tata Air Car прибудет к 2011 году». Популярная механика. Архивировано из оригинал 10 февраля 2010 г.
  23. ^ «Двигатель, использующий воздух в качестве топлива: Tata Motors и изобретатель технологий, MDI из Франции, подписывают соглашение» (Пресс-релиз). Тата Моторс. 5 февраля 2007 г. Архивировано с оригинал 14 марта 2012 г.. Получено 14 июня, 2012.
  24. ^ «Технология пневмодвигателя MDI протестирована на автомобилях Tata Motors» (Пресс-релиз). Тата Моторс. 7 мая 2012 г. Архивировано с оригинал 9 мая 2013 г.. Получено 14 июня, 2012.
  25. ^ Tata Motors вступает во вторую фазу разработки авиационных автомобилей Gizmag.com, 07.05.2012[ненадежный источник? ]
  26. ^ «Проект пневматического автомобиля Tata Motors все еще реализуется, запуск будет готов через 3 года». Авто Автомобиль Профессионал. Получено 24 августа 2017.
  27. ^ «Tata Nano может породить электрические, гибридные и воздушные варианты - Report». Индийский автомобильный блог. 25 янв.2017 г.. Получено 23 августа 2017.
  28. ^ «Nano должен был работать в эфире, батарея, но Ратан Тата не смог реализовать планы». Hindustan Times. 28 октября 2016 г.. Получено 23 августа 2017.
  29. ^ Мэтт Кэмпбелл (3 ноября 2011 г.). «Мотоцикл, который движется по воздуху». Sydney Morning Herald. Архивировано из оригинал 5 ноября 2011 г.. Получено 2011-11-07.
  30. ^ «Разработан пневмогибрид». Gas2.org. 2013-02-18. Получено 2013-09-08.
  31. ^ Марк Картер. «Peugeot объявляет о планах выпустить к 2016 году гибридный автомобиль, работающий на сжатом воздухе». Получено 30 мая 2015.
  32. ^ Дафф, Майк (26 января 2015 г.). «Сдуто: Peugeot Citroen отказывается от технологии воздушного гибридного двигателя». Автомобиль и водитель. Получено 2018-10-29.
  33. ^ Фансильбер, Максим Амиот Дени (1 ноября 2015 г.). "PSA: революция в Hybrid Air n'aura pas lieu". Les Echos (На французском). Получено 2018-10-29.
  34. ^ "Association de Promotion des Usages de la Quasiturbine". APUQ. Архивировано из оригинал на 2016-03-04. Получено 2012-01-26.[ненадежный источник? ]

внешняя ссылка