Пневматический автомобиль
Транспортное средство на сжатом воздухе ( CAV ) — это транспортный механизм, питаемый резервуарами со сжатым атмосферным газом и приводимый в движение за счет выпуска и расширения газа внутри пневматического двигателя .
CAV нашли применение в торпедах , локомотивах, используемых в ситуациях, когда стандартные локомотивы представляют опасность, а также в ранних прототипах подводных лодок .
Транспортные средства на сжатом воздухе работают в соответствии с термодинамическим процессом , при котором воздух охлаждается при расширении и нагревается при сжатии, и это потери тепловой энергии, которые снижают коэффициент мощности , однако с учетом последних разработок в области изотермических установок хранения энергии сжатого воздуха ICAES, сжатый воздух емкость накопителя достигла в 4 раза большего емкости коэффициента литий-ионных батарей: 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м. 3 [3] а в 2020 году были разработки в области автомобиля ICAV или изотермического транспортного средства на сжатом воздухе, опубликованные доктором Резой Ализаде Эврин из Технологического университета Онтарио. [1] [2] с первым прототипом, в котором используются воздушные резервуары низкого давления и рекуперация отработанного воздуха для питания системы парафинового теплообменника с глобальной энергоэффективностью 74% (достигающей эффективности 73–90% литий-ионных электромобилей ) с запасом хода 140 миль в час. км (87 миль). Эту эффективность и дальность действия можно увеличить за счет использования резервуара-хранилища в качестве конструкции шасси транспортного средства, резервуаров высокого давления, новых роторных двигателей и более эффективного теплообменника.
Этот прорыв, а также доступность переработанных и биологических термопластов для резервуаров, пневматических компонентов и возобновляемых источников энергии означает, что эта технология может стать основой свободной «зеленой» транспортной революции с децентрализацией энергетики и замкнутой промышленности с производством машин с числовым программным управлением с открытым исходным кодом, включая аддитивные технологии. производство , в то время как многоступенчатые воздушные компрессоры и охладители или гидравлические насосы могут быть прикреплены непосредственно к VAWT ветряным турбинам , двигателю Стирлинга с параболическим или линзовым концентратором солнечной энергии или речной, приливной, волновой гидроэнергетической турбине без необходимости в электрической энергии или электрической сети , а также с преобразованием энергии. неэффективным или дополнительный накопитель энергии, также вместо бортовой системы рекуперации тепла может использоваться многоразовый резервуар с расплавленной солью (из линзы Френеля или параболической концентрированной солнечной энергии ) в системе теплообменника .
Движение на сжатом воздухе также может быть включено в гибридные системы, например, с электрическим приводом от аккумуляторной батареи . Такая система называется гибридно-пневматической электрической силовой установкой. Кроме того, рекуперативное торможение в сочетании с этой системой также можно использовать .
Пневматические двигатели
[ редактировать ]любой пневматический двигатель В принципе, для транспортного средства, работающего на сжатом воздухе, можно использовать , но некоторые двигатели были специально разработаны для этого применения и/или имеют особые преимущества.
Двигатель Ди Пьетро
[ редактировать ]Было несколько сомнительных заявлений с нераскрытой информацией.Однако двигатель «Ди Пьетро» был частично протестирован с помощью САПР и программы анализа методом конечных элементов и опубликован в научных статьях Ярослава Звержовского из Лодзинского технологического университета в 2017 году. [4] Это лопастной двигатель с эксцентриковым валом, использующий низкое давление воздуха.
Жидкостный поршень
[ редактировать ]Еще одним недавним двигателем, который можно адаптировать к сжатому воздуху, является роторный двигатель с жидкостным поршнем . [5]
Баллоны со сжатым воздухом и безопасность при столкновении
[ редактировать ]Резервуары должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, подходящими для сосудов под давлением , например, ISO 11439 . [7]
Сосуды под давлением или резервуары для хранения воздуха, которые можно использовать в транспортных средствах со сжатым воздухом, могут быть изготовлены для низкого давления (9 атм (130 фунтов на квадратный дюйм)) или высокого давления (более 240 атм (3500 фунтов на квадратный дюйм)), а также могут быть изготовлены из композитных материалов. такие материалы, как термопласт и термопласт, армированный волокном, [6] [8] это означает, что цена может снизиться при использовании переработанных термопластов или термопластов на биологической основе с использованием ротационного формования , и они намного легче, чем литий-железные батареи, и на 70% легче по сравнению со стальными резервуарами, а также имеют больший срок службы и не требуют особого обслуживания.
Чтобы еще больше снизить вес транспортного средства, воздушные баллоны можно использовать в качестве структурного хранилища, поэтому бак является основной частью шасси транспортного средства при использовании соответствующей удароизоляции, однако армированные волокном термопластические баллоны разрываются только в случае столкновения и не взрываются. Некоторые достижения в области сосудов высокого давления для транспортных средств были разработаны для водородных транспортных средств с сосудами высокого давления сжатия. Автомобильный дизайнер Hyundai утверждает: [9]
Для резервуаров с водородом требуется «Высокая прочность» для предотвращения разрыва и «Высокая жесткость» для долговечности. Сила определяется как уровень устойчивости к воздействию внешней силы. Жесткость – это уровень сопротивления сохранению своей первоначальной формы. Материалы из углеродного волокна, используемые при изготовлении водородных топливных баков, такие же легкие, как пластик, но в шесть и четыре раза прочнее и жестче стали соответственно. «Когда пуля пробивает резервуар с водородом, он не взрывается. Вместо этого водород вытекает через пулевое отверстие. В стандартном тесте на столкновение не было обнаружено даже малейшего количества водорода, поскольку он не утек.
Производство, хранение, энергоэффективность и плотность сжатого воздуха
[ редактировать ]Сжатый воздух имеет низкую плотность энергии , однако вблизи изотермических хранилищ сжатого воздуха ICAES имеет почти в 4 раза литий-ионных батарей: 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м. емкость 3 . [3]
Сжатый воздух можно получить, подключив воздушный компрессор или гидравлический насос к ветряной турбине. [10] [11] или использование речной, приливной или волновой гидроэнергетической турбины только с преобразованием механической энергии в пневматическую, исключая электричество из контура, что обеспечивает более высокий КПД в целом.
Кроме того, существует возможность использования тепловой энергии с помощью параболического или концентратора с линзой Френеля солнечного концентратора для питания теплового двигателя Стирлинга, приводящего в движение компрессор или насос, поскольку двигатели Стирлинга на солнечной энергии более эффективны, чем солнечные паровые и фотоэлектрические. [ нужна ссылка ]
Выход выбросов
[ редактировать ]Поскольку сжатый воздух фильтруется для защиты компрессорного оборудования, в выбрасываемом воздухе содержится меньше взвешенной пыли, хотя может присутствовать унос смазочных материалов, используемых в компрессоре или двигателе. Эту проблему можно смягчить, используя безмасляные воздушные компрессоры.
Потребление ресурсов
[ редактировать ]Недавние разработки композитных сосудов под давлением и пневматических компонентов означают, что транспортные средства на сжатом воздухе могут стать частью безотходной промышленности с компонентами на основе биологического или переработанного сырья . Кроме того, за счет отключения электрической энергии от контура отпадает необходимость в электрической сети и используемых металлах, таких как медь, железо в магнитах и т. д.
История
[ редактировать ]Сжатый воздух использовался с 19-го века для питания шахтных локомотивов и трамваев в таких городах, как Париж (через центральную систему распределения энергии сжатого воздуха на уровне города ), а ранее он был основой силовой установки военно-морских торпед .
При строительстве Готардбана с 1872 по 1882 год пневматические локомотивы использовались при строительстве Готардского железнодорожного туннеля и других тоннелей Готардбана.
В 1903 году компания Liquid Air, расположенная в Лондоне, Великобритания, произвела несколько автомобилей, работающих на сжатом и сжиженном воздухе. Основная проблема этих автомобилей и всех автомобилей, работающих на сжатом воздухе, — это недостаток крутящего момента, создаваемого «двигателями», и стоимость сжатия воздуха. [13]
С 2010 года несколько компаний начали разработку автомобилей на сжатом воздухе , в том числе гибридных типов, которые также включают бензиновый двигатель; ни один из них не был обнародован и не был протестирован третьими лицами. [ нужна ссылка ]
Преимущества
[ редактировать ]Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2010 г. ) |
Эту статью может потребовать очистки Википедии , чтобы она соответствовала стандартам качества . Конкретная проблема: в этой статье есть ряд грамматических ошибок. ( январь 2024 г. ) |
Благодаря эффективности использования ветряных турбин для питания компрессоров или насосов происходит однократное преобразование механической энергии в пневматическую или гидравлическую. [11] Кроме того, за счет питания компрессора двигателем Стирлинга с использованием параболического или линзы Френеля концентратора солнечной энергии происходит преобразование тепловой энергии в механическую . Наконец, при использовании материала с фазовым переходом в теплообменнике , нагреваемом концентрированной солнечной энергией, используется только солнечная тепловая энергия.
Самым эффективным транспортным средством на сжатом воздухе по состоянию на 2020 год является изотермический прототип на 74%, [1] [2] что аналогично 73-90% электромобилей, использующих литий-ионные батареи.
По сравнению с литий-ионным аккумулятором энергии изотермического сжатого воздуха (ICAES) может составлять не менее 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м. 3 , 4 раза [3] литий-ионных аккумуляторов, которые можно усовершенствовать с помощью сосудов высокого давления и систем теплообменников.
Ресурсы, технология сжатого воздуха могут быть адаптированы к возобновляемым источникам энергии и промышленности замкнутого цикла с использованием био- или переработанных композитов, и поэтому по сравнению с электромобилями они могут быть освобождены от ограниченных минеральных ресурсов или токсичных процессов, используемых при производстве аккумуляторов и электродвигателей , а также от использования электросетей. . [6]
Конструктивный вес , малый вес композитных сосудов под давлением по сравнению с литий-ионными батареями , а также по сравнению со стальными резервуарами (на 70% легче), [8] которую можно уменьшить за счет использования баков в качестве конструкций шасси транспортных средств с соответствующей удароизоляцией, а также за счет малого веса роторных двигателей с электродвигателями в ступицах колес .
Заправка возможна практически в любом месте или с помощью бортового оборудования, поскольку единственное, что необходимо, — это энергия ветра, солнца или речной, приливной или волновой гидроэнергии для приведения в движение воздушного компрессора , гидравлического насоса или двигателя Стирлинга .
Энергетическая синергия с доступной пневматической энергией, поэтому все мехатронные системы автомобиля могут приводиться в действие небольшими пневматическими двигателями, а также в автомобиле может использоваться активная пневматическая подвеска , пневматическое рулевое управление или пневматические амортизаторы. [14] Также может быть предусмотрено кондиционирование воздуха или климат-контроль с использованием низкой температуры, создаваемой при расширении воздуха.
Системы рекуперации энергии с рекуперативной подвеской и рекуперативным торможением, производящие сжатый воздух низкого давления для хранения в дополнительном резервуаре под давлением .
Низкий уровень шума беспоршневых роторных двигателей при использовании сжатого воздуха, который также может быть звукоизолирован из-за низкой температуры, при которой он работает.
Нулевая пожароопасность , что делает ее одной из немногих транспортных систем, которая не может вызвать самопроизвольный пожар или взрыв после столкновения, как в случае с бензином, этанолом, водородом, а также транспортными средствами с аккумуляторами.
Недостатки
[ редактировать ]Плотность энергии низка сжатого воздуха по сравнению с жидким азотом или водородом , а энергоэффективность двигателя на сжатом воздухе по сравнению с микрогазовой турбиной с адекватной звукоизоляцией , которая может использоваться в гибридных газотурбинно-электрических транспортных средствах со смесью сжатого воздуха. жидкий азот или водород (ранее в газотурбинных автомобилях использовалась установка по скорости, а не по эффективности, заключающаяся в большом шуме газовых турбин, подключенных к трансмиссии), поскольку газовая турбина (которые используются на тепловых электростанциях из-за ее эффективности ) превосходит беспоршневые сжатого Однако производство воздуха более энергоэффективно и поэтому требует меньше энергии ветра и инфраструктуры, а также происходит потеря эффективности при переходе от газовой турбины к генератору и электродвигателю .
В то время как батареи могут в некоторой степени сохранять свое напряжение на протяжении всего периода разрядки, а баки с химическим топливом обеспечивают одинаковую плотность мощности от первого до последнего литра, давление в резервуарах со сжатым воздухом падает по мере отбора воздуха, что снижает доступную мощность.
Возможные улучшения
[ редактировать ]Сжатый воздух можно хранить при более низком давлении, используя абсорбирующий материал внутри резервуара. Абсорбирующие материалы, такие как активированный уголь , [15] или металлический органический каркас [16] используется для хранения сжатого природного газа при давлении 500 фунтов на квадратный дюйм (34 атм) вместо 4500 фунтов на квадратный дюйм (310 атм), что обеспечивает значительную экономию энергии.
Транспортные средства
[ редактировать ]Этот раздел необходимо обновить . ( февраль 2013 г. ) |
Серийные автомобили
[ редактировать ]Несколько компаний исследуют и производят прототипы , включая гибридные автомобили, работающие на сжатом воздухе и бензине. По состоянию на август 2017 года ни один из разработчиков еще не запущен в производство, хотя Tata заявила, что начнет продавать автомобили с 2020 года. [17] а MDI американский дистрибьютор Zero Pollution Motors сообщает, что производство AIRPod начнется в Европе в 2018 году. [18]
Экспериментальные автомобили и мотоциклы
[ редактировать ]В 2008 году автомобиль, работающий на сжатом воздухе и природном газе , разработанный студентами-инженерами Университета Дикина в Австралии, стал совместным победителем конкурса Ford Motor Company T2 на производство автомобиля с запасом хода 200 км (120 миль) и ориентировочной стоимостью менее чем 7000 долларов. [19] [20]
Австралийская компания Engineair выпустила несколько типов транспортных средств — мопед, небольшой автомобиль, небольшой багажник, тележку — на основе роторного двигателя на сжатом воздухе, созданного Анджело Ди Пьетро .
Мотоцикл с приводом от сжатого воздуха, получивший название Green Speed Air Powered Motorcycle, был создан Эдвином И Юанем на основе Suzuki GP100 и с использованием пневматического двигателя Анджело Ди Пьетро. [21]
Трое студентов-механиков из Государственного университета Сан-Хосе ; Дэниел Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мерович спроектировали и построили велосипед, работающий на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составляла менее 1000 долларов, и его спонсорами выступили Sunshops (на променаде в Санта-Крус, Калифорния ) и NO DIG NO RIDE (из Aptos, Калифорния ). Максимальная скорость первого рейса в мае 2009 года составила 23 мили в час (37 км/ч).Хотя их конструкция была простой, эти три пионера в области транспортных средств с приводом от сжатого воздуха помогли проложить путь. [ нужна ссылка ] для французского автопроизводителя Peugeot Citroën изобрести совершенно новый гибрид с воздушным двигателем. Система «Hybrid Air» использует сжатый воздух для приведения в движение колес автомобиля при движении со скоростью менее 43 миль в час (69 км/ч). Peugeot заявил, что новая гибридная система должна проехать до 141 мили на галлон бензина. Утверждалось, что модели начнут выпускаться уже в 2016 году [1] . Однако руководитель проекта покинул Peugeot в 2014 году, а в 2015 году компания заявила, что не смогла найти партнера, который разделил бы затраты на разработку, что фактически завершило проект. [22]
Трехколесный автомобиль с воздушным сжатым воздухом под названием «Ку:Рин» был создан компанией Toyota в 2011 году. Особенность этого автомобиля в том, что он зарегистрировал рекордную максимальную скорость 129,2 км/ч (80,3 миль в час), даже если у него есть двигатель. использующий только сжатый воздух. Этот автомобиль был разработан компанией «Мастерская Dream Car». Эту машину прозвали «гладкой ракетой» или «ракетой в форме карандаша». [23]
В рамках телешоу «Планета механики » Джем Стэнсфилд и Дик Стробридж превратили обычный скутер в пневматический мопед. [24] Это было достигнуто за счет оснащения скутера пневматическим двигателем и баллоном с воздухом. [25]
В 2010 году компания Honda представила концепт-кар Honda Air на автосалоне в Лос-Анджелесе. [26]
С 2008 года бывшая компания Bosch Rexroth, ныне Emerson, организует Международный конкурс пневмомобилей AVENTICS компании Emerson в Эгере, Венгрия. Это соревнование среди студентов высших учебных заведений по созданию гоночных автомобилей, приводимых в движение сжатым воздухом. [27]
В связи с этим мероприятием проводится международная конференция, организованная факультетом машиностроения и техники безопасности Банки Донат Университета Обуда. [28]
Поезда, трамваи, лодки и самолеты
[ редактировать ]Пневматические локомотивы представляют собой разновидность беспожарных локомотивов и используются в горнодобывающей промышленности. [29] и бурение туннелей. [30]
Начиная с 1876 года проходили испытания различные трамваи с приводом от сжатого воздуха. В Нанте и Париже трамваи системы Мекарски эксплуатировались на регулярной основе более 30 лет. [31] См. также Нантский трамвай # Пневматические трамваи (1879–1917) .
В настоящее время не существует ни водных, ни воздушных транспортных средств, использующих пневматический двигатель. Исторически некоторые торпеды приводились в движение двигателями на сжатом воздухе.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с «Пневмоавтомобили для городского транспорта» . новости передовой науки. 7 сентября 2020 г. Проверено 7 сентября 2020 г.
- ^ Jump up to: а б с Эврин, Реза Ализаде; Динсер, Ибрагим (2020). «Экспериментальное исследование прототипа транспортного средства на сжатом воздухе с материалами фазового перехода для рекуперации тепла» . Хранение энергии . 2 (5). онлайн-библиотека.wiley. дои : 10.1002/est2.159 . S2CID 219020514 .
- ^ Jump up to: а б с Одукомайя, Адевале; Абу-Хейба, Ахмад; Глюзенкамп, Кайл Р.; Абдельазиз, Омар; Джексон, Родерик К.; Дэниел, Клаус; Грэм, Сэмюэл; Момен, Айюб М. (2016). «Термический анализ околоизотермической системы хранения энергии сжатого газа» . Прикладная энергетика . 179 . семантик: 948–960. Бибкод : 2016ApEn..179..948O . doi : 10.1016/J.APENERGY.2016.07.059 . ОСТИ 1324083 . S2CID 113436358 .
- ^ «Конструкция воздушного двигателя типа Ди Пьетро» . 18 июля 2017 г. Проверено 13 октября 2017 г.
- ^ Jump up to: а б «Разработка небольшого роторного двигателя внутреннего сгорания SI/CI» . 18 июля 2014 г. Проверено 13 октября 2014 г.
- ^ Jump up to: а б с «Сосуды высокого давления из термопластичного композита для FCV» . www.compositsworld.com. 01 февраля 2015 г. Проверено 1 февраля 2015 г.
- ^ «Газовые баллоны – Баллоны высокого давления для бортового хранения природного газа в качестве топлива для автомобильной техники» . Исо.орг. 18 июля 2006 г. Проверено 13 октября 2010 г.
- ^ Jump up to: а б «Базовые баллоны высокого давления из термопластичных композитов» . пластик.гл. 01 мая 2014 г. Проверено 1 мая 2014 г.
- ^ «Резервуар с водородом: проверенная безопасность (OA-ICAES) система» . Hyundai Motor Group . Проверено 13 июля 2019 г.
- ^ Jump up to: а б «Ветротурбинный воздушный компрессор» . Проверено 13 июля 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с «Открытая аккумуляторная система изотермического хранения энергии на сжатом воздухе (OA-ICAES)» . Проверено 13 июля 2018 г.
- ^ Браун, Адольф: Аэровоз в «Фотографических видах Готардской железной дороги», Дорнах в Эльзасе, ок. 1875 г.
- ^ «История и справочник электромобилей с 1834 по 1987 год» . Дидик.com . Проверено 19 сентября 2009 г.
- ^ «Автоматизированный пневматический бампер для безопасности транспортных средств» . 01.05.2012 . Проверено 1 мая 2014 г.
- ^ «Новости Национального научного фонда (NSF) – От сельскохозяйственных отходов до топливных баков – Национальный научный фонд США (NSF)» . nsf.gov . Проверено 13 октября 2010 г.
- ^ Ма Шэнцянь (2008). «Металлоорганический каркас из производного антрацена, содержащий наноскопические клетки, демонстрирующие высокое поглощение метана». Журнал Американского химического общества . 130 (3): 1012–1016. дои : 10.1021/ja0771639 . ПМИД 18163628 .
- ^ «Проект Tata Motors по производству пневматического автомобиля все еще находится в стадии реализации и будет готов к запуску через 3 года» . Автопрофессионал . Проверено 24 августа 2017 г.
- ^ Двигатели с нулевым загрязнением http://zeropollutionmotors.us/ . Проверено 25 августа 2017 г.
{{cite web}}
: Отсутствует или пусто|title=
( помощь ) - ^ «Зеленый автомобиль Дикина представлен на конкурсе Ford Global Challenge» . Университет Дикина . Проверено 25 августа 2017 г.
- ^ «Ford Model T Design Challenge: победители» . Дизайн кузова автомобиля . Проверено 25 августа 2017 г.
- ^ «Зеленый скоростной пневматический мотоцикл» . Архивировано из оригинала 18 февраля 2011 года . Проверено 29 мая 2020 г.
- ^ «PSA: гибридной воздушной революции не произойдет» . Лес Эхо . 11 января 2015 г. Проверено 29 мая 2020 г.
- ^ «Трехколесный автомобиль Toyota развивает скорость 80,3 миль в час на сжатом воздухе» . Физорг.com . Проверено 11 августа 2012 г.
- ^ «Переоборудование пневматического мопеда» . Архивировано из оригинала 1 апреля 2008 года . Проверено 29 мая 2020 г.
- ^ «Пневматический мопед, построенный Джемом Стэнсфилдом» . Ecogeek.org. Архивировано из оригинала 11 августа 2010 г. Проверено 13 октября 2010 г.
- ^ «Концептуальный автомобиль Honda Air» . Greenoptimistic.com. 22 октября 2010 г. Проверено 26 января 2012 г.
- ^ «Пневмобиль2020» . пневмомобиль.ху. 09.03.2020 . Проверено 9 марта 2020 г.
- ^ «ACIPV2020» . пневмомобиль.ху. 09.03.2020 . Проверено 9 марта 2020 г.
- ^ «Пневмодвижение» . 3 марта 2016 г. Архивировано из оригинала 3 марта 2016 г. . Проверено 29 мая 2020 г.
- ^ «Scientific American 1916-11-25» . 25 июня 2016 г. Архивировано из оригинала 25 июня 2016 г. . Проверено 29 мая 2020 г.
- ^ «Информация о трамваях» . Tramwayinfo.com . Проверено 13 октября 2010 г.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Экспериментальное исследование прототипа транспортного средства на сжатом воздухе с материалами фазового перехода для рекуперации тепла
- Пневматические автомобили для городского транспорта 7 сентября 2020 г.
- Термический анализ околоизотермической системы хранения энергии сжатого газа
- Пневматические автомобили на HowStuffWorks
- Исследование: «Воздушные гибриды» позволяют экономить топливо ( Сообщество автомобильных инженеров )
- Гидравлические гибридные исследования ( Агентство по охране окружающей среды США )
- Страница OSEN о технологии сжатого воздуха
- История пневматических транспортных средств
- Фотография автомобиля Liquid Air Company 1903 года выпуска.
- Regusci Air, официальный сайт Армандо Регуши
- Экологически чистый, Двигатель, Изобретение | Мельбурн
- Транспортное средство с воздушным двигателем спроектировано и построено студентами Государственного университета Сан-Хосе.