Vehículo de aire comprimido

Un vehículo de aire comprimido (CAV) es un mecanismo de transporte alimentado por tanques de gas atmosférico presurizado y propulsado por la liberación y expansión del gas dentro de un motor neumático. Los CAV han encontrado aplicación en torpedos, locomotoras usadas en túneles de excavación y primeros prototipos de submarinos. Las ventajas ambientales potenciales han generado interés público en los vehículos de pasajeros como vehículos de pasajeros, pero no han sido competitivos debido a la baja densidad de energía del aire comprimido y la ineficiencia del proceso de compresión / expansión.

La propulsión de aire comprimido también se puede incorporar en sistemas híbridos, como con la propulsión eléctrica de la batería. Este tipo de sistema se denomina propulsión eléctrica híbrida-neumática. Además, el frenado regenerativo también se puede utilizar junto con este sistema.

Historia
El uso del aire comprimido como fuerza motriz de un vehículo se remonta al desarrollo de los ferrocarriles y los tranvías de tracción mecánica donde, en algunas situaciones, como las redes mineras y urbanas, era necesario evitar los riesgos de incendio y la contaminación inherente a La locomotora de vapor ordinaria.

Los primeros sistemas de Tomlinson (1820) en los Estados Unidos o Andraud (1830) en Francia fueron fallas debido a que el aire comprimido circuló en una tubería a lo largo de la vía y la locomotora tuvo que estar equipada para tomarla continuamente. (por un dispositivo similar a las catapultas de los portaaviones) que causó fugas y un rendimiento deficiente.

Un nuevo sistema diseñado por Antoine Andraud y Cyprien Tessie du Motay en París en 1840, donde la locomotora estaba equipada con un tanque que se llenó en ciertos puntos de la red, demostró la viabilidad del sistema.

Las primeras aplicaciones prácticas de los vehículos ferroviarios de aire comprimido se remontan al avance de los túneles ferroviarios (1872), en particular el de Gotthard en Suiza, y algunos experimentos de tranvía. Pero el enfriamiento del cilindro del motor por la expansión del aire comprimido transformó la humedad del aire del motor en cristales de hielo que causaron bloqueos.

Fue el ingeniero Louis Mekarski quien perfeccionó el sistema, combinando aire comprimido y agua sobrecalentada a presión, y lo puso en pleno funcionamiento para equipar las redes de tranvías. Se probó por primera vez en los tranvías parisinos de 1876 a 1879 en la red de Tranvías del Norte.

Luego se utilizó en varias líneas de la red de Île-de-France: Nogentan Railways, Sèvres Tramway to Versailles, Tramway Company de Saint-Maur-des-Fossés y en la red de París de la Compagnie Générale des Omnibus de 1894 a 1914.

Desde 1879, toda la red de tranvías de Nantes se equipó gradualmente con más de 90 vehículos de aire comprimido que dieron satisfacción hasta 1917. Desde 1890, otras ciudades se equiparon con tranvías Mekarski como Berna (1890), Vichy (1895), Aix-les- Bains (1896), Saint-Quentin (1899) y La Rochelle (1901). Las locomotoras Mekarski también estaban en servicio en la parte de Arpajonnais en París para el servicio “silencioso” de las Halles de París desde 1895 hasta 1901.

Uno de los proyectos de tren ligero de Nueva York era usar aire comprimido y locomotoras de agua sobrecalentadas. El motor funcionó con frenado regenerativo, recargando el tanque de aire comprimido y calentando el tanque de agua.

Desde 1896, la HK Porter Company de Pittsburgh puso en el mercado la locomotora de aire comprimido inventada por Charles B. Hodges. El motor de doble y triple expansión (cilindros de alta y baja presión) se complementó con un intercambiador de calor atmosférico. El aire comprimido enfriado por la primera expansión fue calentado por el aire ambiente, haciendo innecesario el dispositivo de agua sobrecalentada y mejorando en gran medida la eficiencia general. Miles de locomotoras Porter impulsaron minas de carbón en el este de los Estados Unidos hasta la década de 1930. Otros fabricantes en todo el mundo han producido máquinas similares para minas y fábricas en industrias que no toleran el humo o el polvo. El rango aumentó con la posibilidad de construir depósitos de aire con una presión muy alta (hasta 250 bares). Estas máquinas funcionaron hasta la década de 1950, antes de ser superadas por el desarrollo de motores de gas de baja emisión y acumuladores eléctricos mejorados.

La implementación para el automóvil también ha sido objeto de algunos logros. Menos contaminante que el vehículo eléctrico (que contamina por los componentes de sus baterías), pero que también sufre de una autonomía limitada, el concepto parece olvidado del mundo “ecológico” y no se beneficia por el momento de ningún gran industrial para su promoción y su desarrollo. Sin embargo, varias compañías están trabajando en la aplicación del motor de aire comprimido para el automóvil.

El 7 de mayo de 2012, la empresa india Tata Motors, que fabrica vehículos muy compactos y de bajo costo, anunció que había pasado con éxito en cooperación con la empresa MDI, las pruebas de uso de prototipos y comenzó una fase de configuración del proceso. de fabricación de este vehículo.

Teoría
Según la ley de Boyle,

Para una masa fija de gases ideales a una temperatura fija, la magnitud de la presión por la magnitud del volumen resulta en una constante.

Robert Boyle y Edme Mariotte
Por lo tanto, bajo una temperatura idéntica:

la presión multiplicada por el volumen del gas contenido en un tanque corresponde a una constante;
La variación de la presión del gas es inversamente proporcional a su volumen.
Si cualquiera de los dos, la presión o el volumen se modifica, el factor T puede modificarse. Lo que nos lleva a los conceptos de termodinámica, la expansión adiabática del aire comprimido.

Cuanto más rápido y más brutal es el cambio en el producto de la presión y el volumen, el gas logra satisfacer esta constante en menos tiempo y refleja parte de esta conversión en temperatura.

Esta es la razón por la que los métodos de uso de aire comprimido en un sistema explican por qué con motores de aire comprimido con dos tendencias principales, conceptualmente diferentes:

Explotación termodinámica
En el momento de la rápida expansión de una gran cantidad de aire comprimido, que corresponde a una disminución significativa de la presión, es físicamente imposible que el gas recupere su volumen inicial; la variación de temperatura que sigue produce un enfriamiento significativo, mientras que la expansión del volumen útil se puede limitar a aproximadamente el 40% del volumen teórico. Por el contrario, con la compresión, la reducción de volumen generalmente implica un aumento de la temperatura, lo que resulta nuevamente en un volumen total de aire comprimido inferior a su valor teórico.

Las tecnologías explotadas por MDI, Energine y Quasiturbine requieren flujos relativamente importantes cuando se explotan para animar los motores, pero deben estar necesariamente limitadas por limitaciones termodinámicas.

Dinámica de la explotación.
Para producir un empuje mecánico mientras se evita este obstáculo, o, al menos, al mismo tiempo que se reducen sus efectos, es necesario cumplir con ciertas reglas: permitir la expansión lo más lentamente posible, es decir, mientras se trabaja con corrientes bajas (pero esto, por supuesto, significa una contraparte negativa en lo que respecta a la limitación de la potencia del motor), para regular las variaciones repentinas de la presión cuando es demasiado importante (mediante el uso de reductores de presión y otros intermedios de descompresión habilitados), para mantener, así como la posible temperatura constante del gas, si no incluso para aumentar el rendimiento de la compresión / expansión de un enfriamiento / calentamiento de la utilidad del aire.

Tecnología
El motor de aire comprimido y los tanques de aire comprimido son casos especiales de sistemas neumáticos, que utilizan los principios de la termodinámica de los gases compresibles presentados en los artículos correspondientes.

Comparación neumática, eléctrica y térmica.
En comparación con el motor eléctrico o el motor de combustión interna, el motor neumático tiene ciertas ventajas pero también debilidades de importancia para su adaptación al transporte del automóvil:

Respecto a la acumulación de energía.
el costo de fabricación del depósito de aire comprimido es más bajo que el de un acumulador eléctrico, pero más alto que el de un tanque de combustible;
un tanque de aire compuesto es mucho menos pesado que un acumulador eléctrico, pero más que un tanque de combustible;
La fabricación de un tanque de aire puede ser costosa en energía (fibra de carbono) pero no incluye metales altamente contaminantes (a diferencia de muchos tipos de acumuladores eléctricos);
el tanque de aire comprimido se desgasta poco y puede soportar más de 10.000 ciclos de carga y descarga, lo que le otorga una vida prácticamente ilimitada;
El reciclaje del tanque de aire comprimido es más fácil que el de un acumulador eléctrico;
para uso móvil, la masa de aire transportado disminuye durante el uso del vehículo, al igual que para el combustible, a diferencia del peso del acumulador eléctrico;
sin embargo, el contenido de energía del aire comprimido es bajo; por ejemplo, un volumen de 300 litros a 300 bar solo puede proporcionar un máximo teórico de 14.3 kWh y, en la práctica, esta cifra se reduce a aproximadamente 7 kWh para la expansión adiabática, que es similar al comportamiento de los motores neumáticos reales;
la carga y descarga de un acumulador eléctrico se puede realizar con una eficiencia energética cercana al 90%, asociada con una eficiencia de un motor eléctrico entre 90 y 96%, lo que da una eficiencia general de aproximadamente el 70%. al 75%;
la presión cae cuando el tanque de aire se vacía, resultando en una caída de la potencia disponible o una disminución de la eficiencia si se usa un regulador para regular la presión;
la humedad del aire comprimido debe eliminarse por completo para evitar la formación de hielo durante la expansión en el motor: o el agua se elimina antes de la compresión, o el aire comprimido se calienta durante la expansión, lo que genera importantes pérdidas de energía adicionales;
La carga eléctrica es silenciosa mientras que la compresión de aire no lo es.

Sobre el motor
el motor neumático puede funcionar a baja velocidad (100 a 2000 revoluciones por minuto según la capacidad cúbica);
Ofrece un par grande y casi constante sobre el rango de revoluciones del motor;
podría proporcionar frío para el vehículo; por otro lado, en ausencia de pérdidas de calor de un motor de combustión interna, es necesario proporcionar calor adicional para calentar el vehículo;
un motor térmico convencional de la misma potencia (aproximadamente 7 kW) que un motor de aire comprimido tiene un tamaño y peso comparables o incluso más pequeños (consulte motores de propulsión para aviones modelo, etc.).

Respecto a la viabilidad comercial.
los vehículos de aire comprimido no han logrado alcanzar la comercialización a pesar de varias décadas de desarrollo; por otro lado, muchos fabricantes han puesto en el mercado diferentes modelos de vehículos eléctricos cuyas ventas globales muestran un crecimiento constante;
Las actuaciones anunciadas por los creadores de vehículos de aire comprimido nunca se han verificado de forma independiente y, por lo tanto, pueden cuestionarse.
En comparación con los motores de combustión interna, tanto los sistemas neumáticos como los eléctricos tienen la desventaja de que la baja autonomía era aceptable para vehículos como el tranvía de principios del siglo XX, con sus paradas frecuentes y rutas fijas que permiten una recarga rápida del aire, pero es menos compatible con el uso actual de Un vehículo particular. Sin embargo, el uso de técnicas de vanguardia (tanques de aire de fibra de carbono) podría ayudar a reducir esta desventaja al aligerar los vehículos (consulte el capítulo sobre “autonomía” y métodos para estimar la energía en el aire). artículo de energía neumática).

Tanques
Los tanques deben estar diseñados de acuerdo con las normas de seguridad adecuadas para un recipiente a presión, como ISO 11439.

El tanque de almacenamiento puede estar hecho de metal o materiales compuestos. Los materiales de fibra son considerablemente más ligeros que los metales, pero en general son más caros. Los tanques de metal pueden soportar una gran cantidad de ciclos de presión, pero deben revisarse periódicamente para detectar corrosión.

Una compañía almacena aire en tanques a 4,500 libras por pulgada cuadrada (alrededor de 30 MPa) y mantiene cerca de 3,200 pies cúbicos (alrededor de 90 metros cúbicos) de aire.

Los tanques se pueden rellenar en una estación de servicio equipada con intercambiadores de calor, o en unas pocas horas en casa o en estacionamientos, conectando el automóvil a la red eléctrica a través de un compresor a bordo. El costo de conducir un automóvil de este tipo generalmente se estima en alrededor de € 0.75 por cada 100 km, con una recarga completa en la “estación del tanque” en aproximadamente US $ 3.

Aire comprimido
El aire comprimido tiene una baja densidad energética. En contenedores de 300 bar, se pueden alcanzar aproximadamente 0,1 MJ / L y 0,1 MJ / kg, comparables a los valores de las baterías electroquímicas de plomo-ácido. Mientras que las baterías pueden mantener un poco su voltaje durante la descarga y los tanques de combustible químico proporcionan las mismas densidades de potencia desde el primer hasta el último litro, la presión de los tanques de aire comprimido disminuye a medida que el aire sale. Un consumidor-automóvil de tamaño y forma convencionales normalmente consume 0.3–0.5 kWh (1.1–1.8 MJ) en el eje impulsor por milla de uso, aunque los tamaños no convencionales pueden tener un rendimiento significativamente menor.

Salida de emisión
Al igual que otras tecnologías de almacenamiento de energía que no son de combustión, un vehículo aéreo desplaza la fuente de emisión del tubo de escape del vehículo a la planta de generación eléctrica central. Cuando se dispone de fuentes de bajas emisiones, se puede reducir la producción neta de contaminantes. Las medidas de control de emisiones en una planta generadora central pueden ser más efectivas y menos costosas que el tratamiento de las emisiones de vehículos muy dispersos.

Dado que el aire comprimido se filtra para proteger la maquinaria del compresor, el aire descargado tiene menos polvo suspendido, aunque puede haber un exceso de lubricantes utilizados en el motor. El auto funciona cuando el gas se expande.

Ventajas
Los vehículos de aire comprimido son comparables en muchos aspectos a los vehículos eléctricos, pero utilizan aire comprimido para almacenar la energía en lugar de baterías. Sus ventajas potenciales sobre otros vehículos incluyen:

Al igual que los vehículos eléctricos, los vehículos impulsados ​​por aire finalmente serían propulsados ​​a través de la red eléctrica. Lo que hace que sea más fácil concentrarse en reducir la contaminación de una fuente, a diferencia de los millones de vehículos en la carretera.
No se requeriría el transporte del combustible debido a que la corriente eléctrica se desconecta de la red eléctrica. Esto presenta importantes beneficios de costos. La contaminación creada durante el transporte de combustible sería eliminada.
La tecnología de aire comprimido reduce el costo de producción del vehículo en aproximadamente un 20%, porque no hay necesidad de construir un sistema de enfriamiento, tanque de combustible, sistemas de encendido o silenciadores.
El motor puede ser masivamente reducido en tamaño.
El motor funciona con aire frío o caliente, por lo que puede estar hecho de un material liviano de menor resistencia, como aluminio, plástico, teflón de baja fricción o una combinación.
Bajos costes de fabricación y mantenimiento, así como un fácil mantenimiento.
Los tanques de aire comprimido se pueden desechar o reciclar con menos contaminación que las baterías.
Los vehículos de aire comprimido no están limitados por los problemas de degradación asociados con los sistemas de baterías actuales.
El tanque de aire se puede rellenar con más frecuencia y en menos tiempo que las baterías, y las tasas de llenado son comparables a las de los combustibles líquidos.
Los vehículos más livianos causan menos daño a las carreteras, lo que resulta en un menor costo de mantenimiento.
El precio del llenado de vehículos con motor de aire es significativamente más barato que el de gasolina, diesel o biocombustible. Si la electricidad es barata, el aire comprimido también será relativamente barato.

Desventajas
La principal desventaja es el uso indirecto de la energía. La energía se utiliza para comprimir el aire, que a su vez proporciona la energía para hacer funcionar el motor. Cualquier conversión de energía entre las formas resulta en pérdida. Para los automóviles con motor de combustión convencional, la energía se pierde cuando el aceite se convierte en combustible utilizable, incluidos la perforación, el refinamiento, la mano de obra, el almacenamiento y, finalmente, el transporte hasta el usuario final. Para los automóviles de aire comprimido, la energía se pierde cuando la energía eléctrica se convierte en aire comprimido y cuando el combustible, ya sea carbón, gas natural o nuclear, se quema para impulsar los generadores eléctricos.

Cuando el aire se expande, como lo haría en el motor, se enfría dramáticamente (ley de Charles) y debe calentarse a temperatura ambiente utilizando un intercambiador de calor similar al Intercooler usado para los motores de combustión interna. El calentamiento es necesario para obtener una fracción significativa de la producción de energía teórica. El intercambiador de calor puede ser problemático. Si bien realiza una tarea similar a la del Intercooler, la diferencia de temperatura entre el aire entrante y el gas de trabajo es menor. Al calentar el aire almacenado, el dispositivo se pone muy frío y puede enfriarse en climas fríos y húmedos.
El reabastecimiento de combustible del contenedor de aire comprimido con un compresor de aire convencional doméstico o de gama baja puede demorar hasta 4 horas, mientras que el equipo especializado en las estaciones de servicio puede llenar los tanques en solo 3 minutos.
Los tanques se calientan mucho cuando se llenan rápidamente. Los tanques SCUBA a veces se sumergen en agua para enfriarlos cuando se llenan. Eso no sería posible con tanques en un automóvil y, por lo tanto, llevaría mucho tiempo llenar los tanques, o tendrían que llevar menos de una carga completa, ya que el calor aumenta la presión. Sin embargo, si está bien aislado, como el diseño del matraz Dewar (vacío), el calor no debería perderse, sino ponerse en uso cuando el automóvil estaba en marcha.
Las primeras pruebas han demostrado la limitada capacidad de almacenamiento de los tanques; la única prueba publicada de un vehículo que funciona con aire comprimido solo se limitó a un rango de 7.22 km (4 millas).
Un estudio realizado en 2005 demostró que los autos que funcionan con baterías de iones de litio superan a los vehículos de celdas de combustible y de aire comprimido más de tres veces a la misma velocidad. MDI ha declarado recientemente que un vehículo aéreo podrá viajar 140 km (87 mi) en conducción urbana, y tendrá un alcance de 80 km (50 mi) con una velocidad máxima de 110 km / h (68 mph) en las carreteras, cuando se opera con aire comprimido solo.
Posibles mejoras
Los vehículos de aire comprimido funcionan de acuerdo con un proceso termodinámico porque el aire se enfría cuando se expande y se calienta cuando se comprime. Dado que no es práctico utilizar un proceso teóricamente ideal, se producen pérdidas y las mejoras pueden implicar la reducción de estos, por ejemplo, mediante el uso de grandes intercambiadores de calor para utilizar el calor del aire ambiente y al mismo tiempo proporcionar enfriamiento de aire en el compartimiento de pasajeros. En el otro extremo, el calor producido durante la compresión puede almacenarse en sistemas de agua, sistemas físicos o químicos y reutilizarse más tarde.

Puede ser posible almacenar aire comprimido a una presión más baja utilizando un material de absorción dentro del tanque. Los materiales de absorción como el carbón activado o un armazón orgánico metálico se utilizan para almacenar gas natural comprimido a 500 psi en lugar de 4500 psi, lo que equivale a un gran ahorro de energía.

Vehículos

Coches de producción
Varias compañías están investigando y produciendo prototipos que incluyen vehículos híbridos de aire comprimido / gasolina-combustión. Hasta agosto de 2017, ninguno de los desarrolladores había entrado en producción, aunque Tata ha indicado que comenzará a vender vehículos a partir de 2020 y el distribuidor estadounidense de MDI, Zero Pollution Motors, dice que la producción del AIRPod comenzará en Europa en 2018.

Coches experimentales y bicicletas.
En 2008, un vehículo propulsado por aire comprimido y gas natural diseñado por estudiantes de ingeniería de la Universidad Deakin en Australia ganó conjuntamente el concurso Ford Motor Company T2 para producir un automóvil con un rango de 200 km y un costo de menos de $ 7,000.

La compañía australiana Engineair ha producido una serie de tipos de vehículos: ciclomotor, automóvil pequeño, portaequipajes, karts, alrededor del motor rotativo de aire comprimido creado por Angelo Di Pietro. La compañía está buscando socios para utilizar su motor.

Edwin Yi Yuan fabricó una motocicleta de aire comprimido, llamada Green Speed ​​Air Powered Motorcycle, basada en la Suzuki GP100 y utilizando el motor de aire comprimido Angelo Di Pietro.

Tres estudiantes de ingeniería mecánica de la Universidad Estatal de San José; Daniel Mekis, Dennis Schaaf y Andrew Merovich, diseñaron y construyeron una bicicleta que funciona con aire comprimido. El costo total del prototipo fue inferior a $ 1000 y fue patrocinado por Sunshops (en el Boardwalk en Santa Cruz, California) y NO DIG NO RIDE (desde Aptos, California). La velocidad máxima del viaje inaugural en mayo de 2009 fue de 23 millas por hora. Aunque su diseño era simple, estos tres pioneros de vehículos con aire comprimido ayudaron a allanar el camino para que el fabricante de automóviles francés Peugeot Citreon inventara un nuevo híbrido de aire. El sistema ‘Hybrid Air’ utiliza aire comprimido para mover las ruedas del automóvil cuando se conduce a menos de 43 mph. Peugeot dice que el nuevo sistema híbrido debería alcanzar hasta 141 millas por galón de gasolina. Los modelos deberían comenzar a funcionar tan pronto como 2016. El jefe del proyecto dejó a Peugeot en 2014 y, en 2015, la compañía dijo que no había podido encontrar un socio para compartir los costos de desarrollo, lo que terminó con el proyecto.

“Ku: Rin” llamado vehículo de tres ruedas con aire comprimido fue creado por Toyota en 2011. La especialidad de este vehículo es que ha registrado una velocidad máxima récord de 129.2 km / h (80 mph) incluso si tiene un motor que usa Sólo aire comprimido. Este coche fue desarrollado por las empresas “Dream car workshop”. Este auto es apodado como “cohete elegante” o “cohete en forma de lápiz”.

Como parte del programa de televisión Planet Mechanics, Jem Stansfield y Dick Strawbridge convirtieron una scooter normal en un ciclomotor de aire comprimido. Esto se ha hecho equipando el scooter con un motor de aire comprimido y un tanque de aire.

En 2010, Honda presentó el prototipo del Honda Air en el Auto Show de Los Ángeles.

Trenes, tranvías, barcos y aviones.
Las locomotoras de aire comprimido son un tipo de locomotora sin fuego y se han utilizado en la minería y el taladrado de túneles.

Se probaron varios tranvías alimentados por aire comprimido, que comenzaron en 1876. En Nantes y París, dichos tranvías funcionaron en servicio regular durante 30 años.

Actualmente, no existen vehículos de agua o aire que hagan uso del motor de aire comprimido. Históricamente, ciertos torpedos fueron propulsados ​​por motores de aire comprimido.