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圧縮空気自動車

圧縮空気自動車(Compressed air car)は、圧縮空気によって駆動されるモータを使用する圧縮空気車両である。 ガソリン、ディーゼル、エタノール、または回生ブレーキ付きの電気プラントと組み合わせて(ハイブリッド電気自動車の場合と同様に)、車は空気のみで動力を供給することができます。

概要
固定式エアーモーターは、さまざまな機械や工具に使用できます。

ベルン(Bern)のトラムや空軍の機関車などの圧縮空気駆動のさまざまなニッチ用途。 B.Gotthardトンネルまたは鉱山機関車の建設では、過去に実現された。 これらの特殊用​​途の多くは、より簡単で排出が少ない電気駆動システムに置き換えられました。

産業用貯蔵蒸気機関車にも同様の概念と技術があります。

歴史
1838年には早くも、パリのAdraudとTessiédu Motayによって空気自動車が建設され、1840年に発表されました。鉄道輸送では、このタイプのドライブは1879年ナントで使用されたトラム(フランス)で初めてでした。 このシステムは、ルイス・メーカルスキーが開発したポーランド人のフランス人エンジニアによるものでした。
ニューヘイブン(コネチカット州)にある米国のメーカーマッケンジー&マッカーサー(MacKenzie&McArthur)とハートフォード(コネチカット州)にあるオートクラットマニュファクチャリング社(Autocrat Manufacturing Company)は圧縮空気車を扱っていた。 American Pneumaticという名前は圧縮空気動力付き自動車を運ぶべきで、その計画は1900年2月にAmerican Vehicle Companyによって発表されました。 また、自動エア、キャロル、マイヤー、ミュア、ニューマチックの各ブランドの航空機は販売されていませんでした。米国の貿易誌「The Hub」は1899年にデラウェア州で米国自動車会社2500万ドルを設立しました。 「StackpoleとFrancescoの発明の開発と圧縮空気駆動による中型車の生産」の目的で、 同社は1900年にHastoxのHorseless Vehicles、Automobiles、Motorcyclesという本の1129 Broadwayという住所で言及されており、Broadwayにあるニューヨーク市の登録簿には1911年にまだ残っています。 この莫大な資本投資によって最終的に達成されたことは不明である。

プロパティ
圧縮空気駆動は、電気システム上に存在するので、燃焼プロセスなしで、スパークの危険なしに動作します。 したがって、このような爆発性環境では非常によく使用されます。 地下鉱山でB.

一方、大量輸送の手段として使用することに反対する制限があります。 十分な量の駆動エネルギーを運ぶためには、大きな(重い)圧縮空気タンクが必要である。 駆動システムのエネルギー密度は、単純な鉛蓄電池に比べて既に不利です。

圧縮空気は、最も高価なエネルギー源の1つです。 彼らの生産は非常に大きな損失で精力的に苦しんでいます。 圧縮中に発生した熱を使用できない場合、エネルギー収支に失われます。 効率的な圧縮空気モータは、中間加熱による多段膨張を必要とするため、高価である(エンジンコンセプト)。 圧縮空気を弛緩させることにより、エンジンが冷却される。 環境から熱を供給する必要があります。 これが十分に保証されないと、拡張エンジンの性能が低下します。 この効果は、低い周囲温度で強化される。

テック

エンジン
圧縮空気自動車は、31MPa(4500psiまたは310bar)のような高圧でタンクに貯蔵される圧縮空気によって駆動されるモータによって駆動される。 点火された燃料 – 空気混合物でエンジンピストンを駆動するのではなく、圧縮空気車は、蒸気エンジンの蒸気の膨張と同様に、圧縮空気の膨張を利用する。

1920年代から、爆発の推進に使用される圧縮空気を用いて、プロトタイプの車がありました。

貯蔵タンク
Seven Network社のBeyond Tomorrow社では、独自の炭素繊維が脆く、十分なストレス下で分割する可能性があると報告されています(水素の問題と危険な衝突の危険性とは対照的に、空気自体は不燃性です)そうしたときに破片を生成しません。 炭素繊維タンクは約4500 psiの圧力で安全に空気を保持し、鋼製タンクに匹敵します。 車は高圧ポンプで満たされるように設計されています。

圧縮空気車両では、タンク設計は等温である傾向があり、 ある種の熱交換器が、空気が抜き出されるときにタンクの温度(および圧力)を維持するために使用される。

エネルギー密度
圧縮空気は、比較的低いエネルギー密度を有する。 30 MPa(4,500 psi)の空気には1リットルあたり約50 Whのエネルギーが含まれています(通常は372 g / L)。 比較のため、鉛蓄電池は60〜75Wh / lを含む。 リチウムイオン電池は、約250〜620Wh / lを含む。 EPAはガソリンのエネルギー密度を8,890 Wh / lと推定している。 しかしながら、18%の効率を有する典型的なガソリンエンジンは、1694Wh / lに相当するものだけを回収することができる。 膨張する前に空気を加熱すると、圧縮空気システムのエネルギー密度は2倍以上になります。

エネルギー密度を高めるために、液化または凝固させることができるガスを使用するシステムもある。 「CO2は、気体状態から超臨界状態に移行するとき、空気よりもはるかに大きな圧縮性を提供する」

排出量
圧縮空気自動車は、排出ガスを排出しなくてもよい。 圧縮空気自動車のエネルギー源は通常電気であるため、その総環境への影響は、この電気の発生源がどのくらいクリーンであるかによって決まります。 しかし、ほとんどの航空機にはさまざまな作業のためのガソリンエンジンが搭載されています。 この排出量は、トヨタ・プリウスが生産する二酸化炭素量の半分(マイルあたり約0.34ポンド)と比較することができます。 いくつかのエンジンには、石炭のような高排出電力の電源からゼロエミッションの電源に至るまで、さまざまな地域が非常に異なる電源を持つことができると考えられるため、燃料供給が可能です。 所与の領域は、時間とともにその電源を変更することもでき、それによって総排出量を改善または悪化させることができる。

しかし、2009年の研究では、非常に楽観的な仮定があっても、エネルギーの空気の貯蔵は化学(蓄電池)の保管よりも効率が悪いことが示されています。

利点
空気動力エンジンの主な利点は次のとおりです。

それは、ガソリンまたは他のバイオカーボンベースの燃料を使用しない。
給油は自宅で行うことができますが、タンクをフルプレッシャーにするには、これらの圧力レベルに内在する危険性を考慮して、通常家庭では使用できない250〜300バールのコンプレッサーが必要です。 ガソリンと同様に、サービスステーションは、そのような車がそれを保証するのに十分に普及した場合には、必要な空気設備を設置しなければならない。
圧縮空気エンジンは、冷却システム、スパークプラグ、スターターモーター、またはマフラーを構築する必要がないため、車両生産のコストを削減します。
自己放電の割合は、時間の経過と共にゆっくりと充電量が低下する電池に比べて非常に低い。 したがって、車両は、電気自動車よりも長い時間、未使用のままにされる可能性がある。
圧縮空気の膨張により温度が低下する。 これは空調用として利用することができる。
ガソリンやバッテリー酸/金属などの有害化学物質の削減または排除
機械的な構成によっては、空気を圧縮し貯蔵することによって制動中にエネルギー回収を可能にすることがある。
スウェーデンのルンド大学(Lund University)は、バスはエアハイブリッドシステムを使用して燃費を60%向上させることができたと報告しています。 しかし、これは、圧縮空気のみの車両ではなく、ハイブリッド空気の概念(制動時のエネルギーの回復による)を指します。

短所
主な欠点は、エネルギ変換および伝送のステップである。なぜならそれぞれが本質的に損失を有するからである。 燃焼エンジン車では、化石燃料の化学エネルギーがエンジンによって機械エネルギーに変換されるとエネルギーが失われます。 電気自動車の場合、発電所の電気(何らかの源からのもの)が自動車のバッテリーに送られ、バッテリーは自動車のモーターに電力を伝達し、モーターを機械的エネルギーに変換します。 圧縮空気自動車の場合、発電所の電気はコンプレッサーに送られ、コンプレッサーは機械的に空気を車のタンクに圧縮します。 車のエンジンは圧縮空気を機械的エネルギーに変換します。

その他の懸念事項:

空気がエンジン内で膨張するとき、それは劇的に冷却され、熱交換器を使用して周囲温度に加熱されなければならない。 加熱は、理論的なエネルギー出力のかなりの部分を得るために必要である。 熱交換器は、内燃機関用のインタークーラーと同様の仕事をするが、入ってくる空気と作動ガスとの間の温度差はより小さい。 貯蔵された空気を加熱する際、装置は非常に寒くなり、冷たい湿った気候で氷上に浮上することがある。

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これはまた、圧縮空気を完全に脱水する必要がある。 圧縮空気中に湿度が存在すると、エンジンは内部のアイシングにより停止します。 湿度を完全に除去するには、再利用できないエネルギーが必要です。 (夏の空気1m3あたりの水分量10gで、90m3の水900gを取り出さなければならない;気化エンタルピー2.26MJ / kgの場合、理論的には最低でも0.6kWh必要であり、技術的には冷たい乾燥さらに、脱水はプロのコンプレッサーでしかできないため、家庭内の充電は完全に不可能になるか、少なくとも少なくとも妥当なコストでは行われません。
逆に、空気が圧縮されてタンクを満たすと、その温度が上昇する。 タンクが満たされている間に貯蔵空気が冷却されない場合、空気が後に冷却されると、その圧力は減少し、利用可能なエネルギーは減少する。

これを軽減するために、タンクは、充電中に迅速かつ効率的に空気を冷却するために、内部熱交換器を備えていてもよい。
あるいは、バネを使用して空気をタンクに挿入して空気から仕事を保存し、タンクと再充電器の間の圧力差を低く保ち、その結果、移送された空気の温度上昇を低くすることができます。

家庭用またはローエンドの従来の空気圧縮機を使用して圧縮空気容器に燃料を補給するには、4時間ほどかかることがありますが、サービスステーションの特殊機器は3分でタンクを満たすことができます。 300リットルのリザーバー(1mbarの空気90m3)に300kbarで2.5kWhを貯蔵するには、約30kWhの圧縮機エネルギー(1段断熱圧縮機付)、または約30kWhの圧縮機エネルギーが必要です。 産業標準の多段ユニットを備えた21 kWh。 つまり、1段ユニットから5分、多段ユニットから250kWでリザーバを充填するには、360kWの圧縮機出力が必要です。 しかし、十分に大きな熱交換器が取り付けられている場合、断熱圧縮よりもはるかに効率的で実用的です。 最大65%の効率が達成されるかもしれませんが(大型産業用コンプレッサの電流効率は最大50%です)、これは鉛蓄電池のクーロン効率よりも低くなります。

上記の給油量を使用した圧縮空気エネルギー貯蔵を使用する車両の全体的な効率は、約5-7%である。 比較のために、従来の内燃機関の駆動系統の車輪効率は、約14%であり、

初期の試験では、タンクの貯蔵能力が限られていることが実証されている。 圧縮空気のみで運転されている車両の唯一の公表された試験は、7.22kmの範囲に限られていた。

2005年の調査によると、リチウムイオン電池を搭載した自動車は、圧縮空気と燃料電池車の両方を同じスピードで3倍以上に凌駕しています。 MDIは、2007年にエア・カーが都市部で140km走行できると主張し、圧縮空気のみで運転する場合は80km、高速道路では最高速度110km / h(68mph)この性能に合致する車両をまだ生産していない。

2009年のバークレー校リサーチレターでは、「非常に楽観的な仮定の下でさえ、圧縮空気自動車は、バッテリー電気自動車よりも大幅に効率が悪く、石炭集約型パワーミックスを備えた従来のガソリン車よりも温室効果ガス排出量が多い。 しかし、彼らはまた、「空気燃焼ハイブリッドは技術的に実現可能であり、安価であり、最終的にハイブリッド電気自動車と競合する可能性がある」と示唆した。

それはしばしば作業速度の開始および維持などの様々な作業に役立つ小さなガソリンエンジンを伴う。 このエンジンは二酸化炭素を放出します。

衝突安全
重い衝突の軽量車用エアータンクの安全要求は確認されていません。 北米の衝突試験はまだ実施されておらず、懐疑的な人は、許容できる衝突安全性の結果を生み出すために接着剤で組み立てられた超軽量車の能力に疑問を抱いている。 MDIの副社長兼ゼロ汚染モータース(Zero Pollution Motors)のシヴァ・ベンカット(Shiva Vencat)副社長は、車両が衝突試験に合格し、米国の安全基準を満たしていると主張している。 彼はAirCarに投資された何百万ドルも無駄ではないと主張する。 今日まで、北アメリカの衝突試験に合格した軽量の100+ mpg車は、これまでにない。 間もなく技術的進歩がこの可能性を生み出すかもしれないが、AirCarはまだそれ自体を証明しておらず、衝突安全の問題は残っている。

エアーカーで許容範囲を達成するための鍵は、現実的な限りでは、車の運転に必要な電力を削減することです。 これは、重量を最小限に抑えるようにデザインをプッシュします。

米国政府の国道交通安全局の報告によると、10種類の乗用車のうち、「非常に小さい車」は、1マイルあたりの死亡率が最も高い。 例えば、年間12,000マイルを55年間運転する人は、致命的な事故に関与する確率は1%です。 これは、最も安全な車両クラスの死亡率の2倍、「大型車」です。 このレポートのデータによると、1マイルあたりの致命的なクラッシュの数は、わずかに(-0.45)の相関係数を持つ車の重量とわずかに相関しています。 そのクラス内の車のサイズとのより強い相関が見られます。 例えば、「大型の」自動車、ピックアップ、SUVは、「小さな」自動車、ピックアップ、SUVよりも死亡率が低い。 ミニバンと中型車が最も安全なクラスに入る中型車を除いて、10クラスのうち7車線のケースがありますが、中型SUVは非常に小さい車の後で2番目に致命的です。 重い乗り物は時には統計的に安全ですが、必ずしもそれらがより安全になる余分な重さではありません。 NHTSAの報告書によれば、「より重い車両は歴史的に、衝突時に乗員をクッションするより良い仕事をしてきた。乗員コンパートメントの長いフードと余分なスペースは、車両と乗り物内の乗員のより緩やかな減速の機会を提供する。 ..軽自動車が同様に長いフードとマイルドな減速パルスで建設されることが考えられるが、材料やデザインの大幅な変更やエンジン、アクセサリーなどの重量の削減が必要になるだろう。

空気自動車は通常、通常のタイヤよりもグリップ力が低いローリング転がり抵抗タイヤを使用することがあります。 さらに、エアバッグ、ABSおよびESCなどの安全システムの重量(および価格)は、製造業者にそれらを含めることを妨げる可能性がある。

開発者および製造業者
さまざまな企業が圧縮空気自動車の研究、開発、展開に投資しています。 たとえば、MDIエアカーは2002年に南アフリカで公開され、2004年1月に「6ヶ月以内」に生産されると予測されていた。2009年1月現在、エアーカーは南アフリカで生産されたことはありません。 開発中の自動車のほとんどは、同様の技術を低エネルギー車に使用して、車の範囲と性能を向上させています。

MDI
MDIは、AIRPod、OneFlowAir、CityFlowAir、MiniFlowAir、およびMultiFlowAirで構成された一連の車両を提案しました。 この会社の主な革新の1つは、エネルギー出力を倍増させるために(燃料を使用して)空気を加熱する区画である「能動的チャンバー」の実装です。 この「革新」は、1904年に初めて魚雷で使用されました。

タタ・モーターズ
2009年1月現在、インドのTata MotorsはMDI圧縮空気エンジンを搭載した車を2011年に発売する予定でした。2009年12月、Tataのエンジニアリングシステム担当バイスプレジデントは、限られた範囲と低いエンジン温度が問題を引き起こしていることを確認しました。

タタ・モーターズは2012年5月に、インド市場向けの完全生産向けの「技術コンセプトの証明」である設計合格段階1を評価したと発表した。 Tataはフェーズ2に移行しました。「圧縮空気エンジンの詳細な開発を特定の車両および固定アプリケーションに完了しました」

2017年2月、タタの先進的な製品エンジニアリングの社長兼チーム長であるティム・レバートン博士は、2020年までに最初の車両が利用可能となる「産業化の出発点」にあったことを明らかにしました。以前はMDIとの協力の一環として検討中だったTata Nanoの圧縮空気版です。

Engineair
Engineairは、Angelo Di Pietroが設計した革新的な回転式空気エンジンを使用して、様々なプロトタイプの小型車のプロトタイプを製作したオーストラリアの企業です。 同社はエンジンを利用する商用パートナーを探している。

プジョー/シトロエン
プジョーとシトロエンは、エネルギー源として圧縮空気を使用する自動車を建てようとしていると発表しました。 しかし、彼らが設計している自動車は、ガソリンエンジン(70km / h以上の車を推進するため、または圧縮空気タンクが空になったときに使用される)を使用するハイブリッドシステムを使用している。 2015年1月、「フランスからの失望のニュース:PSAプジョーシトロエンは、有望なハイブリッドエアパワートレインの開発を無期限に保留しています。明らかに、同社は膨大なコストを分割する開発パートナーを見つけることができなかったためですシステムを設計することです システムの開発コストは5億ユーロと見積もられているが、これは意味をなさせるために年間約50万台の車に搭載する必要があると思われる。 プロジェクトの責任者は2014年にプジョーを去った。

APUQ
APUQは、Quasiturbineを搭載したAPUQ Air Carを製作しました。

批判
カリフォルニア大学バークレー校の調査では、カリフォルニア州に関連する温室効果ガス排出量、燃料費、一次エネルギー消費量、タンク容積の点で、ガソリン車、バッテリー電気自動車および空気自動車の比較が行われました。 比較対象は、従来のSmart Fortwo、バッテリー式Smart Fortwo EDおよび仮想空気式自動車でした。 圧縮空気ビークルの技術的パラメータは、未知のものであれば、楽観的に見積もられた。 温室効果ガス排出量、燃料費、タンク容積の点では、カリフォルニアの空力車はガソリン車やバッテリー車よりも著しく悪化しました。 一次エネルギー消費量に関してのみガソリン車に優位性がありましたが、再生可能エネルギーで運転する場合に限ります。 バッテリーカーは、あらゆる点で圧縮空気自動車よりも大幅に優れた性能を発揮しました。

MDIのさらなる批判は、現在行われていないことが約束されたサービスや技術移転を中心に、現在および過去のビジネスパートナーによって現在行われています。

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