Un motore pneumatico (motore pneumatico) o motore ad aria compressa è un tipo di motore che svolge attività meccaniche espandendo l’aria compressa. I motori pneumatici generalmente convertono l’energia dell’aria compressa in lavoro meccanico attraverso il movimento lineare o rotatorio. Il movimento lineare può provenire da un diaframma o da un attuatore a pistone, mentre il movimento rotatorio viene fornito da un motore pneumatico a palette, un motore pneumatico a pistoni, una turbina ad aria o un motore a ingranaggi.

I motori pneumatici sono esistiti in molte forme negli ultimi due secoli, con dimensioni che vanno dai motori portatili ai motori fino a diverse centinaia di cavalli. Alcuni tipi si basano su pistoni e cilindri; altri su rotori a fessura con palette (motori a palette) e altri usano turbine. Molti motori ad aria compressa migliorano le loro prestazioni riscaldando l’aria in entrata o il motore stesso. I motori pneumatici hanno riscontrato un successo diffuso nell’industria degli utensili portatili, ma sono anche utilizzati stazionari in una vasta gamma di applicazioni industriali. Si stanno tentando continuamente di estendere il loro uso all’industria dei trasporti. Tuttavia, i motori pneumatici devono superare le inefficienze prima di essere viste come un’opzione praticabile nel settore dei trasporti.

Classificazione

Lineare
Per ottenere un movimento lineare dall’aria compressa, viene comunemente usato un sistema di pistoni. L’aria compressa viene alimentata in una camera a tenuta d’aria che ospita l’albero del pistone. Anche all’interno di questa camera viene avvolta una molla attorno all’albero del pistone per mantenere la camera completamente aperta quando l’aria non viene pompata nella camera. Quando l’aria viene alimentata nella camera, la forza sull’albero del pistone inizia a superare la forza esercitata sulla molla. Man mano che più aria viene introdotta nella camera, la pressione aumenta e il pistone inizia a muoversi verso il basso. Quando raggiunge la sua massima lunghezza, la pressione dell’aria viene rilasciata dalla camera e la molla completa il ciclo chiudendo la camera per tornare alla sua posizione originale.

I motori a pistoni sono i più comunemente utilizzati nei sistemi idraulici. Essenzialmente, i motori a pistone sono gli stessi dei motori idraulici, tranne per il fatto che vengono utilizzati per convertire l’energia idraulica in energia meccanica.

I motori a pistoni sono spesso utilizzati in serie di due, tre, quattro, cinque o sei cilindri che sono racchiusi in un alloggiamento. Ciò consente di fornire più potenza dai pistoni perché diversi motori sono sincronizzati tra loro in determinati momenti del loro ciclo.

Questi motori pneumatici sono cilindri o aste pneumatici. In quest’ultimo, lo spostamento lineare dell’asta è ottenuto dall’azione di aria compressa su una faccia di un pistone, l’altra faccia del pistone essendo ad una pressione inferiore, generalmente vicina alla pressione atmosferica. Un jack ti consente di esercitare la massima forza

F = Δp × S
Δp è la massima differenza di pressione tra le due facce del pistone e S la sua sezione.

I cilindri a semplice effetto hanno una sola camera e il ritorno del pistone nella sua posizione iniziale è fornito da una molla. I cilindri a doppio effetto hanno due camere, su entrambi i lati del pistone, che sono alternativamente fornite con aria compressa o scariche.

Questi cilindri consentono di ottenere elevate velocità di spostamento che, per essere ottenuti, richiedono il corretto dimensionamento delle valvole di aspirazione e scarico e l’alimentazione dell’aria compressa.

Lo spostamento lineare può essere trasformato in una rotazione angolare limitata da un dispositivo meccanico.

Motori a palette rotanti
Un tipo di motore pneumatico, noto come motore a palette rotanti, utilizza l’aria per produrre un movimento rotatorio su un albero. L’elemento rotante è un rotore scanalato montato su un albero di trasmissione. Ogni fessura del rotore è dotata di una paletta rettangolare liberamente scorrevole. Le pale vengono estese alle pareti dell’alloggiamento utilizzando molle, azione a camme o pressione dell’aria, a seconda del design del motore. L’aria viene pompata attraverso l’ingresso del motore che spinge le pale creando il movimento rotatorio dell’albero centrale. Le velocità di rotazione possono variare tra 100 e 25.000 rpm in base a diversi fattori che includono la quantità di pressione dell’aria all’ingresso del motore e il diametro dell’alloggiamento.

Questi motori possono essere semplici cilindri per ottenere direttamente la rotazione di un asse con un’ampiezza limitata o dispositivi che assicurano la rotazione continua di un asse, che può essere sostituito da motori elettrici, in particolare per applicazioni che richiedono una grande flessibilità di funzionamento e soprattutto un elevato coppia a bassa velocità o zero. Questi motori possono essere a turbina oa pistone.

Un’applicazione per motori pneumatici a palette è quella di avviare grandi motori diesel o diesel industriali. L’energia immagazzinata sotto forma di aria compressa, azoto o gas naturale entra nella camera motore sigillata ed esercita pressione contro le pale di un rotore. Ciò fa girare il rotore ad alta velocità. Poiché il volano del motore richiede una grande coppia per avviare il motore, vengono utilizzati i riduttori. Gli ingranaggi di riduzione creano elevati livelli di coppia con le minori quantità di energia immessa. Questi riduttori consentono di generare una coppia sufficiente dal volano del motore quando è impegnato dal pignone del motore pneumatico o dell’avviatore pneumatico.

operazione
Il funzionamento di un motore di espansione del gas corrisponde a quello di un motore a vapore, entrambi appartengono ai motori a pistone. La valvola di ingresso si apre, lasciando il gas ad alta pressione nella camera di espansione (cilindro). Dopo aver chiuso la valvola di ingresso, il gas si espande fino al punto finale di espansione. In genere, il gas si raffredda, d. H. la sua temperatura diminuisce da sola. La temperatura ambiente è quindi generalmente superiore a quella del gas e il gas può assorbire un po ‘di calore attraverso la parete del bulbo, cioè energia termica, che aumenta leggermente la resa (= energia meccanica per pressione di uscita x volume di gas di pressione). Il gas scorre attraverso la valvola di uscita con la pressione residua richiesta. Il motore può essere progettato come un motore a pistone a singola o doppia azione. Nella gamma di bassa potenza sono disponibili anche pistoni rotanti.

Il lavoro meccanico fornito dal motore di espansione del gas proviene dall’entalpia immagazzinata nel gas nell’evento di espansione adiabatica. Nel rilassamento isotermico, il lavoro meccanico rilasciato aumenta attorno all’exergia assorbita.

Un altro modo per rimodellare l’entalpia contenuta nel gas compresso in movimento rotatorio, che offre un motore a palette.

Dalla fine del 19 ° secolo furono costruiti motori di espansione a gas, che erano azionati con biossido di carbonio da cilindri di pressione. Con questi cosiddetti “motori carbonici”, ad esempio, le scalette aeree si spostavano e Otto Lilienthal sperimentava con loro come guida per i suoi aerei.

I motori di espansione a gas possono essere utilizzati come regolatori di pressione. Il campo di applicazione per i grandi motori di espansione del gas (> 5 kW) è il recupero di energia durante l’estrazione del gas dai gasdotti.

L’uso più comune è quello di piccoli motori di espansione a gas alimentati da aria compressa che azionano strumenti portatili. Anche relativamente comune è l’uso di macchine a pistone libero che funzionano come una pompa.

In linea di principio, il motore pneumatico può anche essere utilizzato come sorgente di azionamento del veicolo, ma in passato i serbatoi di pressione venivano trasportati così entropici così piccoli e l’efficienza complessiva era così bassa che l’uso non era economico. Per i siluri, i motori pneumatici erano in uso da molto tempo.

I motori ad aria erano e sono usati nelle miniere sotterranee. Nel duro clima umido e polveroso sotterraneo in gallerie confinate, linee di conduttori e collezionisti di corrente sono difficili da realizzare. Soprattutto nell’estrazione del carbone, si verifica l’emissione di metano combustibile. Il metano e / o la polvere di carbone formano miscele esplosive con l’aria, che devono essere preservate dalle scintille quando si verificano nei circuiti elettrici.

Dagli anni ’90 a circa l’anno 2002, ci sono stati progetti e annunci che ci dovrebbe essere un veicolo pronto per la produzione con trasmissione ad aria, l’Aircar o la macchina pneumatica. Questi annunci sono stati rinnovati da una società francese con sede in Lussemburgo che annuncia che intende produrre OneCat dal 2009 in poi. L’annuncio non è stato implementato.

Applicazione
Una vasta applicazione di motori pneumatici è in strumenti portatili, chiavi a percussione, utensili a impulsi, cacciaviti, dadi, trapani, smerigliatrici, levigatrici e così via. Anche i motori pneumatici sono stazionari in una vasta gamma di applicazioni industriali. Sebbene l’efficienza energetica complessiva degli strumenti pneumatici sia bassa e richieda l’accesso a una fonte di aria compressa, ci sono molti vantaggi rispetto agli utensili elettrici. Offrono una maggiore densità di potenza (un motore pneumatico più piccolo può fornire la stessa quantità di potenza di un motore elettrico più grande), non richiedono un regolatore di velocità ausiliario (aggiungendo alla sua compattezza), generano meno calore e possono essere utilizzati in atmosfere più volatili in quanto non richiedono energia elettrica e non creano scintille. Possono essere caricati per fermarsi con una coppia completa senza danni.

Storicamente, molte persone hanno provato ad applicare motori pneumatici all’industria dei trasporti. Guy Negre, CEO e fondatore di Zero Pollution Motors, ha aperto la strada a questo settore dalla fine degli anni ’80. Recentemente l’Engineair ha anche sviluppato un motore rotativo per l’uso nelle automobili. Engineair colloca il motore immediatamente accanto alla ruota del veicolo e non utilizza parti intermedie per trasmettere il movimento, il che significa che quasi tutta l’energia del motore viene utilizzata per ruotare la ruota.

Storia nel trasporto
Il motore pneumatico fu applicato per la prima volta al settore dei trasporti a metà del XIX secolo. Sebbene si sappia poco del primo veicolo ad aria compressa registrato, si dice che i francesi Andraud e Tessie di Motay gestissero un’automobile alimentata da un motore pneumatico su una pista di prova a Chaillot, in Francia, il 9 luglio 1840. Sebbene l’auto è stato riferito che il test ha avuto successo, la coppia non ha esplorato un’ulteriore espansione del progetto.

La prima applicazione di successo del motore pneumatico in trasporto fu il motore ad aria del sistema Mekarski usato nelle locomotive. L’innovativo motore di Mekarski ha superato il raffreddamento che accompagna l’espansione dell’aria riscaldando l’aria in una piccola caldaia prima dell’uso. Il Tramway de Nantes, situato a Nantes, in Francia, è stato notato per essere stato il primo ad utilizzare i motori Mekarski per alimentare la propria flotta di locomotive. Il tram è entrato in funzione il 13 dicembre 1879 e continua a funzionare oggi, anche se i tram pneumatici sono stati sostituiti nel 1917 da più efficienti e moderni tram elettrici.

L’americano Charles Hodges ha anche riscontrato il successo con i motori pneumatici nell’industria delle locomotive. Nel 1911 progettò una locomotiva pneumatica e vendette il brevetto all’HK. Porter Company a Pittsburgh per l’uso nelle miniere di carbone. Poiché i motori pneumatici non utilizzano la combustione, erano una opzione molto più sicura nell’industria del carbone.

Molte aziende sostengono di sviluppare auto ad aria compressa, ma nessuna è effettivamente disponibile per l’acquisto o addirittura per test indipendenti.

Utensili
Avvitatori a impulsi, utensili a impulsi, avvitatori, cacciaviti, trapani, smerigliatrici, smerigliatrici, levigatrici, trapani dentali e altri utensili pneumatici utilizzano una varietà di motori pneumatici. Questi includono motori di tipo a palette, turbine e motori a pistoni.

siluri
Le prime forme di siluri semoventi di maggior successo utilizzavano aria compressa ad alta pressione, sebbene questa fosse sostituita da motori a combustione interna o esterna, motori a vapore o motori elettrici.

Linee ferroviarie
I motori ad aria compressa sono stati utilizzati nei tram e negli shunters e alla fine hanno trovato una nicchia di successo nelle locomotive minerarie, sebbene alla fine siano stati sostituiti da treni elettrici, sotterranei. Nel corso degli anni, i progetti sono aumentati di complessità, risultando in un motore a tripla espansione con riscaldatori aria-aria tra ogni fase. Per ulteriori informazioni, vedere la locomotiva senza fuoco e il sistema Mekarski.

Volo
Gli aeroplani di categoria di trasporto, come gli aerei di linea commerciali, utilizzano avviatori ad aria compressa per avviare i motori principali. L’aria viene fornita dal compressore di carico dell’unità di potenza ausiliaria del velivolo o da un’apparecchiatura di terra.

I razzi d’acqua usano aria compressa per alimentare il loro getto d’acqua e generare spinta, sono usati come giocattoli.

Air Hogs, un marchio di giocattoli, usa anche aria compressa per alimentare motori a pistoni in aeroplani giocattolo (e alcuni altri veicoli giocattolo).

Settore automobilistico
Attualmente vi è un certo interesse nello sviluppo di veicoli aerei. Per questi sono stati proposti diversi motori, anche se nessuno ha dimostrato le prestazioni e la lunga durata necessaria per il trasporto personale.

Energine
La Energine Corporation era un’azienda sudcoreana che affermava di fornire auto completamente assemblate su un motore ibrido ad aria compressa e un motore elettrico. Il motore ad aria compressa viene utilizzato per attivare un alternatore, che estende la capacità operativa autonoma della vettura. Il CEO è stato arrestato per aver promosso fraudolentemente motori ad aria con false affermazioni.

engineAIR
EngineAir, un’azienda australiana, produce un motore rotativo alimentato ad aria compressa, chiamato motore Di Pietro. Il concetto motorio Di Pietro è basato su un pistone rotante. Diverso dai motori rotativi esistenti, il motore Di Pietro utilizza un semplice pistone cilindrico (albero di guida) che rotola, con un piccolo attrito, all’interno dello statore cilindrico.

Può essere utilizzato in barca, auto, trasportatori di pesi e altri veicoli. Per vincere l’attrito sono necessari solo 1 psi (≈ 6,8 kPa) di pressione. Il motore è stato anche inserito nel programma New Inventors della ABC in Australia il 24 marzo 2004.

K’Airmobiles
I veicoli K’Airmobiles avrebbero dovuto essere commercializzati da un progetto sviluppato in Francia nel 2006-2007 da un piccolo gruppo di ricercatori. Tuttavia, il progetto non è stato in grado di raccogliere i fondi necessari.

Si deve notare che, nel frattempo, il team ha riconosciuto l’impossibilità fisica di utilizzare l’aria compressa immagazzinata a bordo a causa della sua scarsa capacità energetica e delle perdite termiche derivanti dall’espansione del gas.

In questi giorni, utilizzando il brevetto “K’Air Generator”, convertito per funzionare come motore a gas compresso, il progetto dovrebbe essere lanciato nel 2010, grazie ad un gruppo di investitori nordamericani, ma allo scopo di sviluppare prima un green sistema di energia elettrica.

MDI
Nel motore originale Nègre, un pistone comprime l’aria dall’atmosfera per mescolarsi con l’aria compressa immagazzinata (che si raffredderà drasticamente man mano che si espande). Questa miscela aziona il secondo pistone, fornendo la potenza effettiva del motore. Il motore di MDI funziona con una coppia costante, e l’unico modo per cambiare la coppia alle ruote è usare una trasmissione a puleggia di variazione costante, perdendo un po ‘di efficienza. Quando il veicolo viene fermato, il motore di MDI doveva essere acceso e funzionante, perdendo energia. Nel 2001-2004 MDI passò a un progetto simile a quello descritto nei brevetti di Regusci (vedi sotto), che risalgono al 1990.

Nel 2008 è stato riferito che la casa automobilistica indiana Tata stava osservando un motore ad aria compressa MDI come opzione per le sue auto Nano a basso prezzo. Tata ha annunciato nel 2009 che l’auto ad aria compressa si stava rivelando difficile da sviluppare a causa della sua gamma bassa e dei problemi con le basse temperature del motore.

quasiturbina
Il motore Pneumatic Quasiturbine è un motore rotativo a pistone senza aria compressa che utilizza un rotore a forma romboidale i cui lati sono incernierati ai vertici.

La Quasiturbina ha dimostrato di essere un motore pneumatico che utilizza aria compressa immagazzinata

Può anche sfruttare l’amplificazione di energia possibile utilizzando il calore esterno disponibile, come l’energia solare.

Quasiturbine ruota dalla pressione a partire da 0,1 atm (1.47psi).

Poiché Quasiturbine è un motore di espansione puro, mentre il Wankel e la maggior parte degli altri motori rotanti non lo sono, è adatto come motore a fluido compresso, motore pneumatico o motore pneumatico.

Regusci
La versione di Armando Regusci del motore ad aria accoppia il sistema di trasmissione direttamente alla ruota e ha una coppia variabile da zero al massimo, migliorando l’efficienza. I brevetti di Regusci risalgono al 1990.

Team Psycho-Active
Psycho-Active sta sviluppando un telaio multi-fuel / air-hybrid destinato a fungere da base per una linea di automobili. Le prestazioni dichiarate sono di 50 CV / litro. Il motore ad aria compressa che usano è chiamato motore rotativo DBRE o Duct Blade.

Disegni del motore pneumatico defunti

Motore Conger
Milton M. Conger nel 1881 brevettò e presumibilmente costruì un motore che fuoriesce da aria compressa o vapore che usando un tubo flessibile che forma una parete o un pilastro inclinato o inclinato nella parte posteriore del cuscinetto tangenziale della ruota, e lo spinge con maggiore o minore velocità in base alla pressione del mezzo propulsore.