圧縮空気ビークル（Compressed-air vehicle、CAV）は、加圧された大気ガスのタンクによって燃料を供給され、空気圧モータ内のガスの放出および膨張によって推進される輸送機構である。 CAVは、魚雷、トンネル掘削に使用される機関車、初期のプロトタイプの潜水艦に適用されています。潜在的な環境上の利点により、乗用車としてのCAVの関心が高まっていますが、圧縮空気のエネルギー密度が低いことと、圧縮/膨張プロセスが非効率であるため競争力がない。
圧縮空気推進はまた、ハイブリッドシステムに組み込まれてもよく、例えば、バッテリ電気推進が挙げられる。この種のシステムは、ハイブリッド空気式電気推進と呼ばれている。さらに、回生制動をこのシステムと共に使用することもできる。
歴史
ビークルの駆動力としての圧縮空気の使用は、鉱業や都市ネットワークなどの状況によっては、火災の危険性や汚染の危険性を回避する必要があった鉄道や機械牽引路の開発にまでさかのぼります。普通の蒸気機関車。
米国のTomlinson（1820年）やフランスのAndraud（1830年）の最初のシステムは、軌道沿いのパイプに循環していた圧縮空気と機関車にそれを連続的に取らなければならなかったため、失敗しました。 （航空機運搬船のカタパルトと同様の装置によって）漏れおよび性能の低下を引き起こした。
1840年にパリのAntoine AndraudとCyprien Tessie du Motayによって設計された新しいシステムでは、機関車にネットワークの特定の地点で満たされたタンクが装備されていたため、システムの実現可能性が証明されました。
圧縮空気レール車両の最初の実用化は、鉄道トンネル（1872年）の突破口、特にスイスのGotthardの突破口といくつかの路面電車の実験から始まります。しかし、圧縮空気の膨張によるエンジンシリンダーの冷却は、エンジン空気の湿度を氷の結晶に変換して、詰まりを引き起こした。
それは、圧縮空気と過熱水を圧力下で組み合わせてシステムを完成させ、トラムネットワークを装備するために完全に作動可能にしたのは、技術者Louis Mekarskiでした。 1876年から1879年までのパリの路面電車で、Tramways Northのネットワークで最初にテストされました。
その後、ノーサンタン鉄道、ヴェルサイユ宮殿、サン・モール・デ・フォセの路面電車会社、1894年から1914年にかけてのコンパニエ・ジェネラル・デ・オムニバスのパリネットワークで数回の路線で使用されました。
ナンテス・トラムの全ネットワークには、1917年まで満足していた90以上の圧縮空気車が徐々に装備されていました。1890年からは、ベルン（1890年）、ヴィシー（1895年）、エクレ（1896）、サン・クエンティン（1899）、ラ・ロシェル（1901） Mekarskiの機関車は、1901年から1895年にかけてパリ・アール・デ・パリの「静かな」奉仕のためにアルパフォネのパリの一部にも奉仕していました。
ニューヨークのライトレールプロジェクトの1つは、圧縮空気と過熱水機関車を使用することでした。エンジンは回生ブレーキをかけ、圧縮空気タンクを再充電し、水タンクを暖めた。
1896年から、ピッツバーグのHK Porter CompanyはCharles B. Hodgesによって発明された圧縮空気機関車を市場に出しました。二重および三重の膨張エンジン（高および低圧シリンダ）は、大気熱交換器によって補充された。最初の膨張によって冷却された圧縮空気は大気によって暖められ、過熱水装置は不要となり、全体効率を大幅に改善した。数千のポーター機関車は、米国東部で1930年代まで炭鉱に動力を与えました。世界中の他の製造業者は、煙やほこりを許容しない産業の鉱山や工場で同様の機械を製造しています。この範囲は、非常に高い圧力（最大250バール）の空気リザーバを建造する可能性によって増加しました。これらの機械は、低排出ガスエンジンと改良された蓄電池の開発によって追い越される前に、1950年代まで働いた。
自動車用の実装もいくつかの成果の対象となっています。 （バッテリーの構成要素によって汚染される）電気自動車よりも汚染が少ないだけでなく、自律性が限られていることから、この概念は「生態学的」世界を忘れてしまっており、大企業の昇進の瞬間には利益をもたらさないその開発。しかしながら、いくつかの企業は、自動車の圧縮空気モータの適用に取り組んでいる。
2012年5月7日に、コンパクトな低コスト車を製造するインドのタタ・モーターズ社は、MDI社との協力、プロトタイプの使用試験、およびプロセスのセットアップ段階を開始したことを発表しました。この車両の製造方法に関する。
理論
ボイルの法則によれば、
一定温度での理想気体の固定質量の場合、体積の大きさによる圧力の大きさは一定になる。
ロバート・ボイルとエドム・マリオット
したがって、同一温度下では：
タンク内に収容されたガスの体積を乗じた圧力は定数に相当する。
ガス圧力の変化はその体積に反比例する。
2つのうちのいずれか、圧力または体積のいずれかが変更された場合、因子Tは変更され得る。圧縮空気の断熱膨張である熱力学の概念を私たちにもたらします。
圧力と体積の積の変化がより速く、より残酷であれば、ガスはより短い時間でこの定数を満たすことができ、この変換の一部を温度に反映させる。
これは、システム内で圧縮空気を使用する方法が、概念的に異なる2つの主な傾向を持つ圧縮空気モータでなぜ説明されるのかを説明する理由です。
熱力学的利用
圧縮空気の大量の急激な膨張時には、圧力の著しい低下に対応して、ガスが初期体積を回復することは物理的に不可能である。次の温度変化は顕著な冷却を生じさせるが、有効容積の拡大は理論容積の約40％に制限することができる。逆に、圧縮の場合、体積の減少は一般に温度の上昇を伴い、結果的にその理論値よりも低い総圧縮空気体積を生じる。
MDI、Energine、Quasiturbineが開発した技術は、エンジンをアニメートする際に比較的重要な流れを必要としますが、必然的に熱力学的な制約があります。
搾取のダイナミクス
この障害を回避しながら機械的な推力を発生させるには、少なくともその影響を減らしながら、一定のルールに従うことが必要です。すなわち、低電流で作業しながら、できるだけゆっくりと膨張させることができます（ただし、勿論、モータ動力の制限に関する負の対応物を意味する）、それがあまりにも重要であるとき（圧力低減器及び他の減圧中間体の使用により、圧力の突然の変化を可能にする）空気の有用性の冷却/加熱の圧縮/膨張の性能を向上さえしない場合でも、ガスの可能な一定の温度と同様である。
技術
圧縮空気モータおよび圧縮空気タンクは、対応する物品に提示された圧縮可能な気体の熱力学の原理を使用する空気圧システムの特殊なケースである。
空気圧、電気および熱の比較
電気モータまたは内燃機関と比較して、空気圧モータは、いくつかの利点を有するが、自動車輸送への適応に重要な弱点も有する。
エネルギーの蓄積について
圧縮空気溜めの製造コストは蓄電池の製造コストよりも低いが、燃料タンクの製造コストよりも高い。
コンポジットエアータンクは電気アキュムレータよりはるかに重くなく、燃料タンクよりも重い。
空気タンクの製造はエネルギー（炭素繊維）が高価であるが、（多くのタイプの蓄電池と異なり）高汚染金属は含まない。
圧縮空気タンクはほとんど着用せず、10,000サイクル以上の充放電を維持することができ、事実上無制限の寿命になります。
圧縮空気タンクのリサイクルは蓄電池のリサイクルよりも容易である。
携帯用としては、蓄電池の重量とは異なり、燃料の場合と同様に、車両の使用中に運ばれる空気の質量が減少する。
しかし、圧縮空気のエネルギー含量は低い。例えば、300バールで300リットルの容積は理論上最大14.3kWhしか供給できず、実際にはこの数値は断熱膨張のために約7kWhに低減され、これは実際の空気圧モータに近い。
蓄電装置の充放電は90％に近いエネルギー効率で行われ、電動モーターの効率は90％と96％の間であり、全体の効率は約70％になります。 75％で;
空気タンクが空になったときに圧力が低下し、利用可能な電力の低下、またはレギュレータが圧力を調整するために使用される場合の効率の低下が生じる。
圧縮空気の湿度を完全に除去して、エンジンの膨張時に氷が形成されないようにする必要があります。圧縮前に水を除去するか、膨張時に圧縮空気を加熱して、
空気圧縮はされないが、充電は静かである。
エンジンについて
空気圧モータは低速（立方体容量に応じて毎分100~2000回転）で動作することができる。
それはエンジンの回転数範囲にわたって大きく、ほぼ一定のトルクを提供する。
それは車両に寒さをもたらす可能性があります。一方、内燃機関の熱損失がない場合には、車両を加熱するために追加の熱を供給する必要がある。
（約7kW）の圧縮空気モータと同等またはそれ以上のサイズおよび重量の従来の熱機関（模型飛行機用の推進エンジンなどを参照）。
商業的実現可能性について
数十年にわたる開発にもかかわらず、圧縮空気輸送は商業化には至っていない。一方、多くの製造業者は、世界的な販売が着実に増加している電気自動車の異なるモデルを市場に出している。
圧縮空気自動車の作者によって発表された公演は、決して独立して検証されたことがなく、したがって疑問を呈することができる。
内燃機関と比較して、空気圧システムと電気システムの両方が、自律性が低いという欠点は、20世紀初頭の路面電車のような車両では許容されていたが、頻繁な停止と固定ルートによって空気の再充電が速いが、特定の車両。しかし、最先端技術（カーボンファイバーエアータンク）を使用することで、車両を軽くすることによってこの欠点を軽減することができます（「自律性」の章と空気中のエネルギーを推定する方法を参照）。物品空気圧）。
タンク
タンクは、ISO 11439などの圧力容器に適した安全基準に合わせて設計されていなければなりません。
貯蔵タンクは、金属または複合材料で作ることができる。繊維材料は金属よりもかなり軽いが、一般的により高価である。金属タンクは、多数の圧力サイクルに耐えることができますが、定期的に腐食の有無をチェックする必要があります。
1つの会社は、4,500ポンド/平方インチ（約30MPa）のタンクに空気を貯蔵し、およそ3,200立方フィート（約90立方メートル）の空気を保持する。
タンクは、熱交換器を備えたサービスステーションで、またはオンボードコンプレッサーを介して電気グリッドに車を差し込んで、自宅または駐車場で数時間で補充することができる。そのような車を運転するコストは、典型的に100kmあたり約0.75ユーロと予測され、「タンクステーション」は約3ドルで完全補充される。
圧縮空気
圧縮空気のエネルギー密度は低い。 300バールの容器では、電気化学的鉛蓄電池の値に匹敵する約0.1MJ / Lおよび0.1MJ / kgが達成可能である。電池は放電中に電圧をいくらか維持することができ、化学燃料タンクは最初のリットルから最後のリットルまで同じ電力密度を提供するが、圧縮空気タンクの圧力は空気が抜けると低下する。従来のサイズおよび形状の民生用自動車は、通常、1マイルあたりの駆動軸で0.3~0.5kWh（1.1~1.8MJ）を消費するが、非従来型のサイズではそれほど性能が低下する可能性がある。
排出量
他の非燃焼エネルギー貯蔵技術と同様に、航空機は排出源を車両のテールパイプから中央の発電プラントに移動させる。低排出源が利用可能な場合、汚染物質の正味生産量を削減することができる。中央発電所での排出管理措置は、広く分散している車両の排出量を処理するより効果的で低コストであるかもしれない。
圧縮空気は、圧縮機の機械を保護するために濾過されるので、排出される空気の中には塵埃が少なくなりますが、エンジンに使用される潤滑油の持ち越しがある可能性があります。ガスが膨張すると車が働きます。
利点
圧縮空気自動車は多くの点で電気自動車に匹敵しますが、バッテリーの代わりに圧縮空気を使用してエネルギーを蓄えます。他の車両に比べて潜在的な利点は次のとおりです。
電気自動車と同様に、最終的には電気駆動グリッドを通じて電力供給されることになります。道路上の数百万台の車両とは対照的に、1つの供給源からの汚染を減らすことに集中することが容易になります。
電気グリッドから電力を引き出すために、燃料の輸送は必要とされない。これは大きなコストメリットをもたらします。燃料輸送中に発生する汚染は排除される。
圧縮空気技術は、冷却システム、燃料タンク、イグニッションシステムまたはサイレンサーを構築する必要がないため、車両生産コストを約20％削減します。
エンジンのサイズを大幅に縮小することができます。
エンジンは冷たい空気や暖かい空気の上を走りますので、アルミニウム、プラスチック、低摩擦テフロン、または組み合わせのような低強度軽量材料で作ることができます。
製造とメンテナンスのコストが低く、メンテナンスが簡単です。
圧縮空気タンクは、電池よりも少ない公害で廃棄またはリサイクルすることができます。
圧縮空気車両は、現在のバッテリシステムに関連する劣化の問題に制約されない。
エアタンクは、液体燃料に匹敵する再充填率で、バッテリを再充電できるよりも、より頻繁に、より短い時間で補充することができる。
より軽量の車両は道路へのダメージを少なくし、メンテナンスコストを低減します。
空中給油車の価格は、ガソリン、ディーゼルまたはバイオ燃料よりもかなり安いです。電力が安ければ、圧縮空気も比較的安くなります。
短所
主な欠点は、間接的なエネルギーの使用です。エネルギーは空気を圧縮するために使用され、これはモータを駆動するエネルギーを提供します。フォーム間のエネルギー変換によって損失が発生します。従来の燃焼用モーターカーでは、掘削、洗練、労働、保管、最終的にエンドユーザーへの輸送など、石油が使用可能な燃料に変換されるとエネルギーが失われます。圧縮空気自動車では、電気エネルギーが圧縮空気に変換され、石炭、天然ガス、または原子力のいずれかの燃料が燃焼して発電機を駆動すると、エネルギーが失われる。
空気が膨張するとエンジンのように劇的に冷却され（チャールズの法則）、内燃機関に使用されるインタークーラーと同様の熱交換器を使用して周囲温度に加熱する必要があります。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。熱交換器に問題が生じる可能性があります。インタークーラーと同様の作業を実行しますが、入ってくる空気と作動ガスの温度差は小さくなります。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。
家庭用またはローエンドの従来のエアコンプレッサーを使用して圧縮空気コンテナに給油するには、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専用装置は3分でタンクを満たすことができます。
タンクは急速に充填されると非常に暑くなります。 SCUBAのタンクは、水が満たされているときにそれらを冷却するために水に浸されることがあります。それは車の中でタンクでは不可能なので、タンクを満たすのに長い時間がかかるか、または熱が圧力を上げるので完全充電よりも少なくする必要があります。しかし、Dewar（真空）フラスコ設計のように十分に絶縁されていれば、熱は失われる必要はなく、車が走っているときに使用される。
初期の試験では、タンクの貯蔵容量が限られていることが実証されている。圧縮空気のみで走行する車両の唯一の公表された試験は、7.22km（4マイル）の範囲に制限されていました。
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は最近、都市部では140km（87マイル）の移動が可能で、高速道路では110km / h（68mph）の最高速度で80km（50マイル）圧縮空気だけで作動する場合
可能な改善
圧縮空気車両は、膨張すると空気が冷却され、圧縮されると加熱されるため、熱力学的プロセスに従って動作する。理論的に理想的なプロセスを使用することは現実的ではないので、損失が発生し、例えば大気からの熱を利用するために大きな熱交換器を使用し、同時に客室内で空気を冷却することによって、もう一方の端では、圧縮中に生成された熱を水系、物理的または化学的システムに蓄え、後で再利用することができます。
タンク内の吸収材料を使用して、より低い圧力で圧縮空気を貯蔵することが可能であり得る。活性炭や金属有機骨格のような吸収材料は、圧縮天然ガスを4500 psiではなく500 psiで貯蔵するために使用され、これは大きな省エネルギーになる。
乗り物
生産車
いくつかの企業が、ハイブリッド圧縮空気/ガソリン燃焼車などの試作品の調査と製造を行っています。 2017年8月現在、Tataは2020年からの車両の販売を開始すると表明しているが、開発者はまだ生産を開始していない。MDIの米国販売代理店Zero Pollution Motorsによれば、2018年に欧州でAIRPodの生産が開始される。
実験車と自転車
2008年には、オーストラリアのディーキン大学の工学部学生が設計した圧縮空気と天然ガス自動車が、フォード・モーター・カンパニーのT2競技の共同優勝者で、200kmの距離と7,000ドル以下の車を生産しました。
オーストラリアの会社、Engineairは、Angelo Di Pietroによって作られたロータリー圧縮空気エンジンの周りに、モペット、小型車、小型キャリア、ゴーカートなど数多くの車種を生産しています。同社はエンジンを利用するパートナーを探している。
Green Speed Air Powered Motorcycleと呼ばれる圧縮空気動力付きオートバイは、Suzuki GP100とAngelo Di Pietro圧縮空気エンジンをベースにしたEdwin Yi Yuanによって製作されました。
サンノゼ州立大学の機械工学の学生3人。ダニエル・メキス、デニス・シャーフ、アンドリュー・メロヴィッチは、圧縮空気で走行する自転車を設計し、建設しました。試作品の総費用は1000ドル未満で、Sunshops（カリフォルニア州サンタクルーズのボードウォーク）とNO DIG NO RIDE（カリフォルニア州Aptos）がスポンサーを務めました。 2009年5月のメイジャー航海の最高速度は23mphでした。設計は単純でしたが、これらの3つのパイオニアの圧縮空気駆動車両は、フランスの自動車メーカープジョー・シトレーンが新しいエア・パワー・ハイブリッドを発明する道を開きました。 「ハイブリッドエア」システムは、43 mph以下の走行時に圧縮空気を使用して車の車輪を移動させます。プジョーによると、新しいハイブリッドシステムはガロン当たり141マイルに達するはずだ。 2014年にはプロジェクトの責任者がプジョーを去り、2015年には開発コストを分け合わせるパートナーを見つけることができず、効果的にプロジェクトを終了すると発表しました。
トヨタは、2011年に空圧縮三輪車と呼ばれる「Ku：Rin」を開発しました。この車の特長は、エンジンを搭載していても記録的に最高速度129.2 km / h（80 mph）圧縮空気のみ。この車は、「ドリームカーワークショップ」によって開発されました。この車は “滑らかなロケット”、または “鉛筆の形をしたロケット”と呼ばれています。
Jem StansfieldとDick Strawbridgeは、テレビ番組「Planet Mechanics」の一環として、通常のスクーターをモペット圧縮空気に変換しました。これは、スクーターに圧縮空気エンジンとエアータンクを装備することによって行われています。
2010年、ホンダはLAオートショーでホンダエアコンセプトカーを発表しました。
列車、トラム、ボート、飛行機
圧縮空気機関車は無人の機関車であり、採鉱やトンネルのボーリングに使用されています。
ナントとパリでは、このような路面電車は30年間定期的に運航されていました。
現在、圧縮空気エンジンを使用する水車または航空機は存在しない。歴史的に、特定の魚雷は圧縮空気エンジンによって推進された。