محرك هوائي

المحرك الهوائي أو محرك الهواء المضغوط هو نوع من المحركات التي تقوم بأعمال ميكانيكية عن طريق توسيع الهواء المضغوط. تحرك المحركات الهوائية عموما طاقة الهواء المضغوط إلى العمل الميكانيكي من خلال الحركة الخطية أو الدوارة. يمكن أن تأتي الحركة الخطية إما من مشغل الحجاب الحاجز أو المكبس ، في حين يتم توفير الحركة الدورانية إما عن طريق محرك هواء من نوع ريشة ، محرك هواء مكبس ، محرك توربين هواء أو ناقل الحركة.

وقد وجدت المحركات الهوائية في أشكال عديدة على مدى القرنين الماضيين ، تتراوح في الحجم من المحركات المحمولة إلى محركات تصل إلى عدة مئات من حصانا. تعتمد بعض الأنواع على المكابس والاسطوانات. الآخرين على الدوارات مشقوق مع دوارات (محركات دوارة) وغيرها تستخدم التوربينات. تعمل العديد من محركات الهواء المضغوط على تحسين أدائها عن طريق تسخين الهواء الوارد أو المحرك نفسه. حققت المحركات الهوائية نجاحًا واسعًا في صناعة الأدوات اليدوية ، ولكنها تستخدم أيضًا في مجموعة كبيرة من التطبيقات الصناعية. يتم بذل محاولات مستمرة لتوسيع استخدامها في صناعة النقل. ومع ذلك ، يجب على المحركات الهوائية التغلب على عدم الكفاءة قبل أن ينظر إليها على أنها خيار قابل للتطبيق في صناعة النقل.

تصنيف

خطي
من أجل تحقيق الحركة الخطية من الهواء المضغوط ، يتم استخدام نظام المكابس بشكل شائع. يتم إدخال الهواء المضغوط إلى غرفة محكمة ضيقة الهواء تضم عمود المكبس. أيضا داخل هذه الغرفة ، يتم لف الربيع حول عمود المكبس من أجل الحفاظ على غرفة مفتوحة تماما عندما لا يتم ضخ الهواء في الغرفة. عند إدخال الهواء إلى الغرفة ، تبدأ القوة على عمود المكبس بالتغلب على القوة التي تمارس في الربيع. مع زيادة كمية الهواء في الغرفة ، يزداد الضغط ويبدأ المكبس بالتحرك لأسفل الغرفة. عندما يصل الحد الأقصى للطول يتم تحرير ضغط الهواء من الغرفة ويكمل الزنبرك الدائرة بإغلاق الغرفة للعودة إلى موضعها الأصلي.

محركات المكبس هي الأكثر استخدامًا في الأنظمة الهيدروليكية. بشكل أساسي ، إن محركات المكبس هي نفس المحركات الهيدروليكية إلا أنها تستخدم لتحويل الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية.

غالباً ما تستخدم محركات المكبس في سلسلة من اثنين ، ثلاثة ، أربعة ، خمسة ، أو ستة اسطوانات المغلقة في السكن. هذا يسمح لمزيد من السلطة ليتم تسليمها من قبل المكابس لأن العديد من المحركات متزامنة مع بعضها البعض في أوقات معينة من الدورة.

هذه المحركات الهوائية هي عبارة عن اسطوانات أو قضبان هوائية. في الأخير ، يتم الحصول على الإزاحة الخطية للقضيب من خلال عمل الهواء المضغوط على وجه واحد من المكبس ، يكون الوجه الآخر للمكبس عند ضغط منخفض ، بشكل عام قريب من الضغط الجوي. يسمح لك جاك بممارسة أقصى قوة

F = Δp × S
Δp كونه فرق الضغط الأقصى بين وجهي المكبس ، و S قسمه.

تحتوي الاسطوانات ذات الفعل الواحد على غرفة واحدة فقط ويتم توفير عودة المكبس إلى موضعه الأولي من خلال زنبرك. تحتوي الاسطوانات ذات الفعل المزدوج على غرفتين ، على جانبي المكبس ، يتم تزويدهما بالتناوب بالهواء المضغوط أو المنهك.

هذه الأسطوانات تجعل من الممكن الحصول على سرعات إزاحة عالية ، والتي يجب الحصول عليها ، والتي تتطلب التحجيم الصحيح لصمامات الدخول والعادم وتوريد الهواء المضغوط.

يمكن تحويل الإزاحة الخطية إلى دوران زاوية محدود بواسطة جهاز ميكانيكي.

محركات دوارة دوارة
يستخدم نوع من المحركات الهوائية ، المعروفة باسم محرك دوارة دوارة ، الهواء لإنتاج حركة دورانية إلى عمود. العنصر الدوار هو دوار مشقوق يتم تثبيته على عمود محرك الأقراص. يتم تجهيز كل فتحة من الدوار مع ريشة مستطيلة انزلاقية بحرية. يتم تمديد الجرافات إلى الجدران السكنية باستخدام الينابيع أو حركة الكام أو ضغط الهواء ، اعتمادًا على تصميم المحرك. يتم ضخ الهواء من خلال المدخلات الحركية التي تدفع على الدوارات مما يخلق حركة دوران المحور المركزي. يمكن أن تتراوح سرعة الدوران بين 100 و 25000 دورة في الدقيقة اعتمادا على عدة عوامل تشمل كمية ضغط الهواء في مدخل المحرك وقطر السكن.

يمكن أن تكون هذه المحركات عبارة عن اسطوانات بسيطة للحصول بشكل مباشر على محور دوران ذي سعة محدودة أو أجهزة تضمن الدوران المستمر لمحور ، والذي يمكن استبداله بمحركات كهربائية ، خاصة بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب مرونة كبيرة في التشغيل ، وخصوصًا عالية عزم الدوران بسرعة منخفضة أو صفر. هذه المحركات يمكن أن تكون التوربينات أو المكبس.

تطبيق واحد لمحركات الهواء من نوع الريشة هو بدء تشغيل محركات ديزل أو غاز طبيعي كبيرة. تدخل الطاقة المخزنة في شكل هواء مضغوط أو نيتروجين أو غاز طبيعي إلى غرفة المحرك المغلق وتضغط الضغط ضد دوارات دوّار. هذا يتسبب في تشغيل الدوار بسرعة عالية. نظرًا لأن حذافة المحرك تتطلب قدرًا كبيرًا من عزم الدوران لتشغيل المحرك ، يتم استخدام تروس تخفيض السرعة. تعمل تروس التخفيض على إنشاء مستويات عزم دوران عالية مع انخفاض كميات مدخلات الطاقة. تسمح هذه التروس المختزلة بتوليد عزم دوران كافي من خلال دولاب الموازنة في المحرك أثناء تعشيقه مع ترس الطائر للمحرك الهوائي أو مبدئ الهواء.

عملية
يتوافق تشغيل محرك توسيع الغاز مع محرك البخار ، كلاهما ينتمي إلى محركات المكبس. يفتح صمام المدخل ، تاركاً غاز الضغط العالي في غرفة التمدد (الاسطوانة). بعد إغلاق صمام المدخل ، يتمدد الغاز إلى نقطة نهاية التمديد. عادة ، يبرد الغاز لأسفل ، د. H. درجة الحرارة تنخفض في حد ذاتها. تكون درجة الحرارة المحيطة عادة أعلى من درجة حرارة الغاز ويمكن للغاز أن يمتص بعض الحرارة من خلال جدار المصباح ، أي الطاقة الحرارية ، التي تزيد بشكل طفيف من المحصول (= الطاقة الميكانيكية لكل ضغط منفذ × حجم غاز الضغط). يتدفق الغاز من خلال صمام المخرج مع الضغط المتبقي المطلوب. يمكن تصميم المحرك كمحرك كباس مفرد أو مزدوج المفعول. في نطاق الطاقة المنخفضة ، تتوفر المكابس الدوارة أيضًا.

وينتج العمل الميكانيكي الذي يولده محرك توسيع الغاز من المحتوى الحراري المخزن في الغاز في حدث التوسُّع adiabatic. في استرخاء متساوي الحرارة ، يزداد العمل الميكانيكي الذي يتم إطلاقه حول الإجهاد الممتص.

طريقة أخرى لإعادة تشكيل المحتوى الحراري الموجود في الغاز المضغوط إلى حركة دوارة ، والتي توفر محرك ريشة.

من نهاية القرن التاسع عشر تم بناء محركات توسع الغاز ، والتي كانت تعمل مع ثاني أكسيد الكربون من اسطوانات الضغط. مع هذه “المحرّكات الكربونية” المزعومة ، على سبيل المثال ، كانت السلالم الهوائية تتحرك ، وجربها أوتو ليلينتال كقيادة لطائراتها.

يمكن استخدام محركات توسيع الغاز كمنظم الضغط. مجال التطبيق لمحركات توسيع الغاز الكبيرة (> 5 كيلو واط) هو استرداد الطاقة خلال استخراج الغاز من خطوط أنابيب الغاز.

الاستخدام الأكثر شيوعًا هو محركات توسع الغاز الصغيرة التي تعمل بالهواء المضغوط والتي تقود أدوات محمولة باليد. ومن الشائع نسبيا أيضا استخدام آلات المكبس الحر التي تعمل كمضخة.

من حيث المبدأ ، يمكن أيضًا استخدام المحرك الهوائي كمصدر لمحرك السيارة ، ولكن في الماضي كان هناك صهاريج ضغط ليتم نقلها إلى الكون صغيرة جدًا والكفاءة الكلية منخفضة جدًا لدرجة أن الاستخدام لم يكن اقتصاديًا. لطوربيدات ، كانت المحركات الهوائية قيد الاستخدام لفترة طويلة.

المحركات الهوائية كانت تستخدم في التعدين تحت الأرض. في المناخ القاسي المغمور الرطب في الأنفاق المحصورة ، يصعب تحقيق خطوط الموصلات وجامعي التيار. خاصة في تعدين الفحم ، يحدث انبعاث غاز الميثان القابل للاحتراق. ﯾﺷﮐل ﻏﺑﺎر اﻟﻣﯾﺛﺎن و / أو اﻟﻔﺣم ﺧﻼﺋط ﻣﺗﻔﺟرة ﻣﻊ اﻟﮭواء ، واﻟﺗﻲ ﯾﺟب ﺣﻔظﮭﺎ ﻣن اﻟﺷرر أﺛﻧﺎء ﺣدوﺛﮭﺎ ﻓﻲ اﻟدواﺋر اﻟﮐﮭرﺑﺎﺋﯾﺔ.

من تسعينيات القرن العشرين إلى حوالي عام 2002 ، كانت هناك مشاريع وإعلانات أنه ينبغي أن تكون هناك مركبة جاهزة للإنتاج مع محرك هوائي ، أو سيارة أيركار أو سيارة تعمل بالهواء المضغوط. تم تجديد هذه الإعلانات من قبل شركة فرنسية مقرها لوكسمبورغ أعلنت أنها تنوي إنتاج OneCat اعتبارًا من عام 2009 فصاعدًا. الإعلان لم ينفذ.

الوضعية
تطبيق واسع النطاق للمحركات الهوائية في الأدوات اليدوية ، مفاتيح الشد ، أدوات النبض ، مفكات البراغي ، عداء الجوز ، المثاقب ، المطاحن ، الصنفرة وهلم جرا. كما تستخدم محركات تعمل بالهواء المضغوط ثابتة في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. على الرغم من أن الكفاءة العامة في استخدام الطاقة في أدوات بضغط الهواء منخفضة وتحتاج إلى الوصول إلى مصدر الهواء المضغوط ، إلا أن هناك العديد من المزايا على الأدوات الكهربائية. إنها توفر كثافة طاقة أكبر (يمكن للمحرك الهوائي الأصغر أن يوفر نفس القدر من الطاقة كمحرك كهربائي أكبر) ، لا تتطلب جهاز تحكم السرعة الإضافي (إضافة إلى تماسكها) ، وتوليد حرارة أقل ، ويمكن استخدامها في أجواء أكثر تذبذبًا لأنها لا تتطلب الطاقة الكهربائية ولا تخلق الشرر. يمكن تحميلها للتوقف مع عزم دوران كامل بدون أضرار.

تاريخيا ، حاول العديد من الأفراد تطبيق المحركات الهوائية على صناعة النقل. كان جاي نيجر ، الرئيس التنفيذي ومؤسس شركة Zero Pollution Motors ، رائداً في هذا المجال منذ أواخر الثمانينيات. قامت Engineair مؤخراً بتطوير محرك دوّار للاستخدام في السيارات. يضع Engineair المحرك فوراً إلى جانب عجلة القيادة ولا يستخدم أي أجزاء وسيطة لنقل الحركة مما يعني أن كل طاقة المحرك تقريبًا تُستخدم لتدوير العجلة.

التاريخ في النقل
تم تطبيق المحرك الهوائي لأول مرة في مجال النقل في منتصف القرن التاسع عشر. على الرغم من أنه لا يُعرف إلا القليل عن أول مركبة مسجلة للهواء المضغوط ، يقال إن الفرنسيين أندراود وتيسي من موتاي ركضوا سيارة تعمل بمحرك هوائي على مسار اختبار في شايلو ، فرنسا ، في 9 يوليو 1840. على الرغم من أن السيارة تم تسجيل الاختبار بنجاح ، ولم يستكشف الزوج المزيد من التوسع في التصميم.

كان أول تطبيق ناجح للمحرك الهوائي في النقل هو محرك الهواء نظام Mekarski المستخدم في القاطرات. لقد تغلب محرك ميكارسكي المبتكر على التبريد الذي يصاحب توسع الهواء بتسخين الهواء في غلاية صغيرة قبل الاستخدام. وقد اعتبرت شركة Tramway de Nantes ، الواقعة في مدينة نانت بفرنسا ، أول شركة تستخدم محركات Mekarski لتشغيل أسطولها من القاطرات. بدأت عملية الترام في 13 ديسمبر 1879 ، ولا تزال تعمل اليوم ، على الرغم من استبدال الترام الهوائي في عام 1917 بواسطة ترام كهربائي أكثر كفاءة وحداثة.

كما وجد الأمريكي تشارلز هودجز النجاح مع المحركات الهوائية في صناعة القاطرة. في عام 1911 قام بتصميم قاطرة هوائية وباع براءة الاختراع إلى H.K. شركة بورتر في بيتسبرغ للاستخدام في مناجم الفحم. ولأن المحركات الهوائية لا تستخدم الاحتراق ، فإنها كانت خيارًا أكثر أمانًا في صناعة الفحم.

تدعي العديد من الشركات أنها تقوم بتطوير السيارات الهوائية المضغوطة ، ولكن لا توجد أي منها متاحة بالفعل للشراء أو حتى الاختبارات المستقلة.

أدوات
تستخدم مفاتيح الشد ، وأدوات النبض ، والمغذيات ، ومفكات البراغي ، والمثاقب ، والمطاحن ، والمطاحن المطرقية ، وأجهزة الصنفرة ، ومثاقب الأسنان ، والأدوات الهوائية الأخرى ، مجموعة متنوعة من المحركات الهوائية. وتشمل هذه المحركات نوع الريشة والتوربينات ومحركات الكباس.

طوربيدات
استخدمت معظم الأشكال الناجحة من الطوربيدات ذاتية الدفع هواء مضغوط عالي الضغط ، على الرغم من أن هذا قد حل محله محركات احتراق داخلية أو خارجية أو محركات بخارية أو محركات كهربائية.

السكك الحديدية
واستخدمت محركات الهواء المضغوط في الترام والصيادين ، وفي نهاية المطاف وجدت مكانة ناجحة في قاطرات التعدين ، على الرغم من أنه في النهاية تم استبدالها بالقطارات الكهربائية ، تحت الأرض. على مر السنين ازدادت التصاميم في التعقيد ، مما أدى إلى محرك توسع ثلاثي مع إعادة تسخين الهواء إلى الهواء بين كل مرحلة. لمزيد من المعلومات انظر نظام قاطرة Fireless و Mekarski.

طيران
تستخدم طائرات فئة النقل ، مثل الطائرات التجارية ، مبتدئين الهواء المضغوط لبدء المحركات الرئيسية. يتم توفير الهواء من خلال ضاغط الحمل لوحدة الطاقة المساعدة للطائرة ، أو بواسطة المعدات الأرضية.

تستخدم صواريخ المياه هواء مضغوط لتشغيل الطاقة المائية الخاصة بهم وتوليد قوة الدفع ، ويتم استخدامها كألعاب.

كما تستخدم Air Hogs ، وهي ماركة ألعاب ، الهواء المضغوط لتشغيل محركات المكبس في طائرات الألعاب (وبعض سيارات الألعاب الأخرى).

السيارات
هناك حاليا بعض الاهتمام بتطوير السيارات الهوائية. وقد اقترحت العديد من المحركات لهذه ، على الرغم من أن لا شيء قد أظهر الأداء والحياة الطويلة اللازمة للنقل الشخصي.

Energine
كانت شركة Energine Corporation شركة كورية جنوبية ادعت أنها تقدم سيارات مجمعة بالكامل تعمل على هواء مضغوط هجين ومحرك كهربائي. يتم استخدام محرك الهواء المضغوط لتنشيط مولد التيار الكهربائي ، الذي يمتد من القدرة التشغيلية الذاتية للسيارة. ألقي القبض على الرئيس التنفيذي بتهمة الترويج عن طريق الاحتيال للموتورات الهوائية المزعومة.

EngineAir
تعمل EngineAir ، وهي شركة أسترالية ، بمحرك دوّار مدعوم بالهواء المضغوط ، يدعى محرك دي بييترو. يعتمد مفهوم محرك دي بييترو على مكبس دوار. يختلف محرك دي بييترو عن المحركات الدوارة الموجودة ، ويستخدم مكبسًا دوارًا أسطوانيًا بسيطًا (سائق رمح) الذي يتدحرج ، مع القليل من الاحتكاك ، داخل الجزء الثابت الأسطواني.

ويمكن استخدامه في القوارب والسيارات وناقلات الأعباء وغيرها من المركبات. هناك حاجة إلى 1 psi (≈ 6،8 kPa) من الضغط للتغلب على الاحتكاك. كما ظهر المحرك في برنامج ABC’s Inventors الجديد في أستراليا في 24 مارس 2004.

K’Airmobiles
كان المقصود أن يتم تسويق مركبات K’Airmobiles من مشروع تم تطويره في فرنسا في 2006-2007 من قبل مجموعة صغيرة من الباحثين. ومع ذلك ، لم يتمكن المشروع من جمع الأموال اللازمة.

يجب أن يلاحظ الناس أنه في هذه الأثناء ، أدرك الفريق الاستحالة المادية لاستخدام الهواء المضغوط المخزن على متنه بسبب ضعف قدرته على الطاقة والخسائر الحرارية الناتجة عن توسع الغاز.

في هذه الأيام ، وباستخدام براءة الاختراع المعلقة “K’Air Generator” ، التي تم تحويلها إلى العمل كمحرك غاز مضغوط ، ينبغي إطلاق المشروع في عام 2010 ، وذلك بفضل مجموعة من المستثمرين من أمريكا الشمالية ، ولكن بغرض تطوير أول أخضر نظام الطاقة الطاقة.

MDI
في محرك Nègre الجوي الأصلي ، يقوم مكبس واحد بضغط الهواء من الجو ليمزج مع الهواء المضغوط المخزن (الذي سوف يبرد بشكل كبير عند توسعه). هذا الخليط يقود المكبس الثاني ، مما يوفر قوة المحرك الفعلية. يعمل محرك MDI مع عزم دوران ثابت ، والطريقة الوحيدة لتغيير عزم الدوران على العجلات هي استخدام نقل البكرة للتغير المستمر ، مما يؤدي إلى فقد بعض الفعالية. عندما توقفت السيارة ، كان على محرك MDI أن يعمل ويعمل ، وفقد الطاقة. في 2001-2004 تحولت MDI إلى تصميم مشابه لتلك الموصوفة في براءات الاختراع Regusci (انظر أدناه) ، والتي يعود تاريخها إلى عام 1990.

وقد تم الإبلاغ في عام 2008 أن شركة تصنيع السيارات الهندية تاتا كانت تبحث في محرك هوائي مضغوط MDI كخيار على سيارات نانو منخفضة السعر. أعلنت شركة تاتا في عام 2009 أن السيارة الهوائية المضغوطة أثبتت صعوبة في تطويرها بسبب نطاقها المنخفض ومشاكلها مع انخفاض درجات حرارة المحرك.

Quasiturbine
إن محرك Quasiturbine يعمل بالهواء المضغوط هو محرك دوّار مضغوط بدون محرك يستخدم الدوّار ذو الشكل المعيني الذي تكون أجزائه معلقة في القمم.

أثبتت Quasiturbine كمحرك هوائي يستخدم الهواء المضغوط المخزن

كما يمكنه الاستفادة من تضخيم الطاقة الممكن من استخدام الحرارة الخارجية المتاحة ، مثل الطاقة الشمسية.

يدور Quasiturbine من ضغط منخفض يصل إلى 0.1 atm (1.47psi).

وبما أن Quasiturbine هو محرك توسع خالص ، في حين أن محركات Wankel ومعظم المحركات الدوارة الأخرى ليست كذلك ، فهي مناسبة تمامًا كمحرك مائع مضغوط أو محرك هواء أو محرك هواء.

Regusci
نسخة أرماندو Regusci من المحرك الهواء يربط نظام النقل مباشرة إلى عجلة القيادة ، ولديه عزم متغير من الصفر إلى أقصى حد ، وتعزيز الكفاءة. تاريخ براءات الاختراع Regusci من عام 1990.

فريق نفسية نشطة
تقوم شركة Psycho-Active بتطوير هيكل متعدد الوقود / هواء هجين يهدف إلى العمل كأساس لخط السيارات. الأداء المطالب 50 حصان / لتر. محرك الهواء المضغوط الذي يستخدمونه يسمى DBRE أو Ducted Blade Rotary Engine.

تصاميم محرك الهواء البائد

محرك كونجر
قام ميلتون م. كونجر في عام 1881 ببراءة اختراع ، وقام ببناء محرك يعمل على تشغيل الهواء المضغوط أو البخار باستخدام أنبوب مرن والذي سيشكل جدارًا على شكل إسفين أو مائل أو دعامة في الجزء الخلفي من المحمل العرضي للعجلة ، ويدفعه بسرعة أكبر أو أقل وفقًا لضغط وسيط الدفع.