Транспортные средства на сжатом воздухе

Аэроплан Виктора Татена 1879 года, в котором для движения вперёд использовался двигатель, работающий на сжатом воздухе. Это реальная машина, а не модель. Музей авиации и космонавтики (Париж).

Первая подводная лодка (1863 год) Plongeur, в которой использовался пневмодвигатель. Musée de la Marine (Rochefort).

Транспортные средства на сжатом воздухе приводятся в движение пневмодвигателями, использующими сжатый воздух, запасённый в баллонах. Такой привод называется пневматическим. Вместо смеси топлива с воздухом и её сжигания в двигателе, и последующей передачи энергии поршням от горячих расширяющихся газов, в транспортных средствах на сжатом воздухе передача энергии поршням осуществляется от сжатого воздуха. Один из производителей заявил о разработке пневмодвигателя, имеющего 90 % КПД^[1].

В системы привода транспортных средств за счёт сжатого воздуха могут также входить в состав гибридных систем, то есть, систем, включающих также электрические батареи и топливные баки для их перезарядки.

Технологии

Двигатели

Типичные двигатели, работающие на сжатом воздухе (пневмодвигатели), используют один или несколько поршней. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на гидродвигатели. В некоторых случаях целесообразно нагревать воздух или двигатель для повышения отдачи энергии. Особенно это актуально с учётом того, что расширяющийся в пневмодвигателях воздух охлаждается.

Баллоны

Баллоны для хранения сжатого воздуха должны быть разработаны в соответствии со стандартами безопасности для сосудов, работающих под давлением. Примером такого стандарта является ISO 11439^[2].

Баллоны могут быть изготовлены из следующих материалов:

• сталь,
• алюминий,
• углепластик,
• кевлар,
• другие материалы, или сочетание указанных выше.

Материалы на базе пластика легче металлических, но в целом они дороже. Металлические баллоны могут выдерживать большое количество циклов нагружения-разгрузки, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии.

Одна из компаний использует баллоны, рассчитанные на давление 30 МПа^[3].

Баллоны описываемых транспортных средств необходимо заправлять на специальных заправочных станциях, имеющих необходимое оборудование. Затраты на вождение подобных воздухомобилей, как обычно предполагается, должны составлять порядка €0.75 на 100 км, при полной перезарядке баллонов на «баллонной станции» — около US$3.

Сжатый воздух

Сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность. При давлении 300 бар, энергетическая плотность может достигать около 0.1 МДж/литр (с учётом возможности нагрева воздуха), что сравнимо с ёмкостью электрохимических свинцовых аккумуляторных батарей. Однако по мере разряжения батарей напряжение на их выходах падает относительно не сильно; в автомобилях на химическом топливе обеспечивается постоянная мощность на выходе от первого до последнего литра этого топлива. В то же время, давление на выходе из баллонов падает по мере расходования воздуха.

Автомобиль обычного размера и формы потребляет на ведущем валу около 0,6 — 1,0 МДж на 1 км пути^[4], хотя совершенствование формы может привести к уменьшению этого числа.

Выбросы отходов

Как и другие технологии, не использующие сжигание топлива, использование транспортных средств на сжатом воздухе позволяет избавиться от выбросов на дорогах через выхлопные трубы, и переместить их на централизованные электростанции, что облегчает процесс утилизации этих выбросов. Однако в сжатый воздух таких транспортных средств необходимо добавлять смазывающие материалы для уменьшения сил трения и снижения износа пневмооборудования. Эти смазывающие материалы также впоследствии могут загрязнять окружающую среду.

История

Сен-Готардская железная дорога: пневматический локомотив с присоединённым контейнером (баллоном)^[5].

В начале 19-го века использование сжатого воздуха в качестве привода различных систем было весьма широко распространено и стало исчезать лишь с продвижением в массовое использование электричества^[6]. До этого пневмопривод находил воплощение в различных приборах — от пневмозвонков в дверях, пневмопочты, пневматического оружия и до предложенной в 1827 году пневматической железной дороги.

В 1861 году на Александровском заводе в Санкт-Петербурге^[7] С. И. Барановским был построен локомотив на пневматическом приводе, который получил название духоход Барановского^[8]. Локомотив использовался на Николаевской железной дороге до лета 1862 года.

Сжатый воздух используется с 19-го века для привода локомотивов в горной промышленности. Кроме того, в некоторых городах, например, в Париже, сжатый воздух использовался для привода трамваев, запитывавшихся от центральной общегородской пневматической распределительной сети. Ранее сжатый воздух использовался в двигателях торпед, обеспечивавших их движение вперёд.

Во время строительства Сент-Готардской железной дороги в период с 1872 по 1882 годы, пневматические локомотивы использовались при прокладывании Готардского железнодорожного туннеля.

В 1903 году компания «Сжиженный воздух» (англ. Liquid Air Company), расположенная в Лондоне, производила автомобили на сжатом и сжиженном воздухе. Главными проблемами в этих автомобилях, как и вообще в автомобилях на сжатом воздухе, являлся (является) недостаточный вращательный момент пневмодвигателей и высокая стоимость сжатого воздуха^[9]

Недавно несколько компаний начали разработку воздухомобилей на сжатом воздухе, хотя ни один из них не был выпущен для широкой публики, и не был протестирован независимыми специалистами.

Преимущества

Транспортные средства на сжатом воздухе по многим параметрам сравнимы с транспортными средствами, работающими на аккумуляторных батареях. Их потенциальные преимущества таковы:

• Почти как и транспорт на аккумуляторных батареях, транспортные средства на сжатом воздухе в конечном счёте получают энергию от электрических распределительных сетей. Это облегчает задачу снижения выбросов в месте использования такого транспорта в противоположность миллионам других транспортных средств.
• Использование технологий сжатого воздуха позволяет снизить стоимость производства транспортного средства примерно на 20 % за счёт отсутствия необходимости использования систем охлаждения, топливных баков, систем впрыска топлива и др^[10].
• Воздух сам по себе не горючий материал.
• Пневмодвигатели значительно меньше по массе и габаритам^[11].
• Пневмодвигатели работают на воздухе относительно невысокой температуры, и поэтому могут быть изготовлены из менее прочных и более лёгких материалов, таких как алюминий, пластик, тефлон, обладающие хорошими фрикционными свойствами и др.
• Изношенные баллоны экологически намного более безопасны, чем аккумуляторные батареи.
• Баллоны могут быть перезаряжены сжатым воздухом быстрее, и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторные батареи. По этому показателю транспортные средства на сжатом воздухе сравнимы с транспортом на жидком топливе.
• Меньший вес воздухомобилей снижает износ дорог, что снижает стоимость содержания дорог.

Недостатки

• Принципиальным недостатком является непрямое использование энергии. Сначала энергия используется для сжатия воздуха, а потом от сжатого воздуха передаётся двигателю. Каждое преобразование энергии осуществляется с потерями. Т. е., как следствие более низкий КПД чем, например, у дизельного или, тем более, электротранспорта.

• Когда воздух в двигателе расширяется, он очень сильно охлаждается по закону Шарля, что может привести к обмерзанию и обледенению двигателя. В то же время, подогрев воздуха может быть проблематичен.

• Дозаправка сжатым воздухом в бытовых условиях может занимать около 4 часов, хотя на специальных станциях при наличии соответствующего оборудования этот процесс может занять лишь несколько минут.

• Баллоны сильно нагреваются при быстрой заправке, согласно законам термодинамики. Иногда их приходится охлаждать (например, погружая в воду) при заправке. Это может быть невозможно в автомобилях, и поэтому заправка в этом случае неизбежно займёт много времени.

• Ранние тесты показали ограниченную энергоёмкость баллонов; единственный тест, результаты которого были опубликованы, показал, что транспортное средство, приводившееся в движение исключительно сжатым воздухом, смогло преодолеть максимальную дистанцию в 7,22 км^[12].

• Исследование 2005 года показало, что транспортные средства на литиево-ионных батареях имеют показатели втрое лучше, чем транспортные средства как на сжатом воздухе, так и на топливных элементах. Однако компания MDI недавно заявила, что воздухомобили будут способны преодолевать 180 км при вождении по городу и максимальной скорости 110 км/ч^[13], при движении только на сжатом воздухе.

Возможные улучшения

• В транспортных средствах на сжатом воздухе протекают различные термодинамические процессы, такие как охлаждение при расширении и нагревание при сжатии воздуха. Поскольку на практике невозможно использовать идеальные теоретические процессы, то потери энергии обязательно происходят, и совершенствование может идти по пути их снижения. Одни из направлений может быть использование больших теплообменников, позволяющих, с одной стороны, эффективнее нагревать пневмодвигатель, а с другой, охлаждать пассажирский салон. В то же время, получаемое при сжатии воздуха тепло, может быть использовано для нагревания жидкостных (водных) систем и использовано позднее.
• Может быть полезным запасать сжатый воздух при более низком давлении за счёт использования абсорбирующих материалов, таких как активированный уголь^[14], или металло-органические структуры (англ.)^[15], которые используются при хранении сжатого природного газа при давлении 3,3 МПа вместо 30 МПа, что даёт большу́ю экономию энергии.

Транспорт на сжатом воздухе

Пневмовелосипеды

Трое студентов инженеры-механики из Университета штата Сан-Хосе; Даниэль Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мировичh, спроектировали и построили велосипед, который работает на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составила около $ 1000. Максимальная скорость была зарегестрирована в мае 2009 года и составила 23 миль / ч. (37 км / час)^[16]

Мотоциклы

Мотоцикл на сжатом воздухе, был сделан Эдвином Йи Юань. Модель основана на Suzuki GP100 где Анжело Ди Пьетро использовал технологию сжатого воздуха^[17].

Мопеды

В рамках ТВ-шоу Планета Механики, Джем Стэнсфилд и Дик Стравбридж превратили обычный скутер в мопед на сжатом воздухе.^[18][19].

Автомобили

Несколько компаний занимаются исследованием и производством прототипов, одна из которых планирует выпуск автомобилей в конце 2009 года или в начале 2010^[20]

Автобусы

Motor Development International (англ.)русск. производит автомобили MultiCATs, которые могут использоваться в качестве автобусов или грузовиков.

Примечания

1. ↑ Technology Review: The Air Car Preps for Market
2. ↑ Gas cylinders - High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles. Iso.org (18 июля 2006). Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 13 октября 2010.
3. ↑ The Air Car Preps for Market. Technology Review. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 13 октября 2010.
4. ↑ ELECTRIC CARS LINKS HISTORY MANUFACTURERS TESTS SPECIFICATIONS VEHICLE DESIGN AND RESEARCH
5. ↑ Braun, Adolphe: Luftlokomotive in «Photographische Ansichten der Gotthardbahn», Dornach im Elsass, ca. 1875
6. ↑ П. Кривская Петербургский «Духоход» (рус.) // Наука и Жизнь. — 2003. — № 6. — С. 50-51.
7. ↑ С 1922 г. — Пролетарский завод
8. ↑ Станет ли новым хорошо забытое старое? // Двигатель. — 2005 г.. — В. № 2 (38).
9. ↑ History and Directory of Electric Cars from 1834 - 1987. Didik.com. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 19 сентября 2009.
10. ↑ What About Compressed Air Cars?. TreeHugger. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 13 октября 2010.
11. ↑ Engineair. Engineair. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 13 октября 2010.
12. ↑ MDI refilling stations
13. ↑ MDI Enterprises S.A. Mdi.lu. Проверено 13 октября 2010.
14. ↑ National Science Foundation (NSF) News - From Farm Waste to Fuel Tanks - US National Science Foundation (NSF). nsf.gov. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 13 октября 2010.
15. ↑ ACS Publications - Cookie absent
16. ↑ Велосипед на сжатом воздухе. youtube
17. ↑ Green Speed Air Powered Motorcycle
18. ↑ Compressed air moped conversion(недоступная ссылка)
19. ↑ Compressed air moped being built by Jem Stansfield. Ecogeek.org. Архивировано из первоисточника 12 июля 2012. Проверено 13 октября 2010.
20. ↑ http://www.popularmechanics.com/automotive/new_cars/4217016.html; http://www.ecogeek.org/content/view/659/

Ссылки

• Study: «Air Hybrids» Yield Fuel Savings
• Hydraulic Hybrid Research
• OSEN page about Compressed Air Technology
• Compressed-air vehicles history
• Photograph of the 1903 Liquid Air Company car
• Regusci Air, Armando Regusci’s official web