압축 공기 자동차는 압축 공기로 구동되는 모터를 사용하는 압축 공기 자동차입니다. 자동차는 단독으로, 또는 가솔린, 디젤, 에탄올 또는 회생 제동을 사용하는 전기 플랜트와 결합 (하이브리드 전기 자동차에서와 같이) 될 수 있습니다.
개요
고정식 공기 모터는 다양한 기계 및 공구에서 찾을 수 있습니다.
베른 (Bern)의 트램 및 공기 동력 기관차와 같은 압축 공기 드라이브가있는 다양한 틈새 어플리케이션 (예 : B. Gotthard 터널이나 광산 기관차 건설에있어서, 과거에는 실현되었다. 이러한 특수 용도 중 많은 부분이 이제는 더 간단하고 방출이없는 전기 구동 시스템으로 대체되었습니다.
산업 저장 증기 기관차는 비슷한 개념과 기술을 가지고 있습니다.
역사
1838 년 초, 파리의 Adraud와 Tessié du Motay가 공압식 자동차를 건설하여 1840 년에 선보였습니다. 철도 운송의 경우이 유형의 드라이브는 1879 년 프랑스 낭트 (Nantes)의 전차에서 처음으로 시작되었습니다. 이 시스템은 루이 메카 스키가 개발 한 폴란드 출신의 프랑스 엔지니어가 개발했습니다.
New Haven (코네티컷)의 MacKenzie & McArthur와 하트 포드 (Connecticut)의 Autocrat Manufacturing Company는 압축 공기 자동차를 취급했습니다. 아메리칸 뉴 메틱 (American Pneumatic)이라는 이름은 압축 공기로 구동되는 자동차를 운반해야하며, 그 계획은 1900 년 2 월 미국 자동차 회사 (American Vehicle Company)에서 발표되었습니다. 미국 자동차 업계 최초 잡지 인 The Hub는 델라웨어에서 1899 년에 미국 자동차 회사 인 미국 자동차 회사 (Automotive Air, Carrol, Meyers, Muir and Pneumatic) 브랜드로 판매되지 않았으며 2500 만 달러의 막대한 자본을 보유하고있다. “Stackpole과 Francesco의 발명품 개발 및 압축 공기 드라이브가있는 중형차 생산”의 목적으로. 이 회사는 1900 년 브로드 웨이 (Hasteless Vehicles), 자동차 및 오토바이 (Horseless Vehicles), 자동차 및 오토바이 (Hisceless of Hiscox)의 1129 브로드 웨이 주소로 언급되었으며, 52 브로드 웨이에 본사를 둔 뉴욕시 등록부에서도 1911 년에 아직도 사용되고 있습니다. 이 엄청난 자본 투자로 궁극적으로 달성 된 것은 분명하지 않습니다.
등록 정보
압축 공기 드라이브는 전기 시스템에 존재하기 때문에 연소 과정없이 스파크 위험없이 작동합니다. 그러므로 폭발성 환경에서 매우 잘 사용됩니다. 지하 광산에서.
반면에 대중 교통 수단으로 사용하는 것에 반대하는 제한이 있습니다. 충분한 양의 구동 에너지를 전달하려면 대형 (무거운) 압축 공기 탱크가 필요합니다. 드라이브 시스템의 에너지 밀도는 이미 간단한 납산 배터리에 비해 바람직하지 않습니다.
압축 공기는 가장 비싼 에너지 원 중 하나입니다. 그들의 생산은 매우 큰 손실로 힘차게 고생한다. 압축 중에 발생하는 열을 사용할 수 없으면 에너지 밸런스가 손실됩니다. 효율적인 압축 공기 모터는 중간 가열과 함께 다단 팽창을 필요로하므로 비싸다 (엔진 개념). 압축 공기를 가라 앉히면 엔진이 냉각됩니다. 환경으로부터 열을 공급 받아야합니다. 이것이 충분히 보장되지 않으면 확장 엔진의 성능이 저하됩니다. 이 효과는 주변 온도가 낮을 때 향상됩니다.
기술
엔진
압축 공기 자동차는 31MPa (4500psi 또는 310bar)와 같은 고압 탱크에 저장된 압축 공기로 구동되는 모터로 구동됩니다. 점화 된 연료 – 공기 혼합물로 엔진 피스톤을 구동하는 대신, 압축 공기 자동차는 압축 공기의 팽창을 증기 엔진의 증기 팽창과 유사한 방식으로 사용합니다.
1920 년대부터 어뢰 추진에 사용 된 압축 공기와 함께 프로토 타입 자동차가있었습니다.
저장 탱크
고 충격 충돌과 관련된 수소의 위험 및 위험과는 달리, 공기 자체는 불연성이 아니며 Seven Network의 Beyond Tomorrow에보고 된 바에 따르면 자체 탄소 섬유는 부서지기 쉽고 충분한 스트레스 하에서 분리 될 수 있습니다 , 그렇게 할 때 파편이 생기지 않습니다. 탄소 섬유 탱크는 약 4500 psi 정도의 압력에서 안전하게 공기를 보유하여 강철 탱크와 유사합니다. 자동차는 고압 펌프로 채워질 수 있도록 설계되었습니다.
압축 공기 차량에서 탱크 디자인은 등온성을 띤다. 어떤 종류의 열 교환기는 공기가 추출 될 때 탱크의 온도 (및 압력)를 유지하기 위해 사용된다.
에너지 밀도
압축 공기는 에너지 밀도가 상대적으로 낮습니다. 30 MPa (4,500 psi)의 공기는 1 리터당 약 50 Wh의 에너지를 포함합니다 (일반적으로 372 g / L). 비교를 위해 납 축전지는 60-75 Wh / l를 함유하고있다. 리튬 이온 배터리에는 약 250-620 Wh / l가 들어 있습니다. EPA는 가솔린의 에너지 밀도를 8,890 Wh / l로 추정한다. 그러나, 18 %의 효율을 가진 전형적인 가솔린 엔진은 1694 Wh / l의 동급을 회복 할 수 있습니다. 팽창 전에 공기가 가열되면 압축 공기 시스템의 에너지 밀도가 두 배 이상 증가 할 수 있습니다.
에너지 밀도를 높이기 위해 일부 시스템에서는 액화 또는 응고 될 수있는 가스를 사용할 수 있습니다. “이산화탄소는 기체 상태에서 초 임계 상태로 전환 할 때 공기보다 훨씬 더 큰 압축성을 제공합니다.”
배출량
압축 공기 자동차는 배기 가스 배출이 없을 수 있습니다. 압축 공기 자동차의 에너지 원은 보통 전기이기 때문에 전체 환경 영향은이 전기의 원천이 얼마나 깨끗한 지에 달려 있습니다. 그러나 대부분의 항공 차량에는 다양한 작업을위한 가솔린 엔진이 있습니다. 배출량은 도요타 Prius (마일 당 약 0.34 파운드)에 의해 생성 된 이산화탄소 양의 절반과 비교 될 수 있습니다. 석탄과 같은 고 방출 동력원에서 제로 방출 동력원에 이르기까지 다양한 지역이 매우 다른 동력원을 가질 수 있다는 점을 고려할 때 일부 엔진에는 연료가 공급 될 수 있습니다. 주어진 지역은 또한 시간이 지남에 따라 전기 전원을 변경할 수 있으므로 총 배출량을 향상 시키거나 악화시킬 수 있습니다.
그러나 2009 년 연구에 따르면 매우 낙관적 인 가정하에도 에너지의 공기 저장은 화학 물질 (배터리) 저장보다 효율적이지 않습니다.
장점
공기 동력 식 엔진의 주요 이점은 다음과 같습니다.
그것은 가솔린이나 다른 바이오 – 탄소 기반 연료를 사용하지 않습니다.
재충전은 집에서 할 수 있지만 탱크를 최대 압력으로 채우려면 250-300 바의 압축기가 필요합니다.이 압축기는 일반적으로 가정용으로는 사용할 수 없으며 이러한 압력 수준에서 내재하는 위험을 고려합니다. 가솔린과 마찬가지로, 주유소는 보증을 위해 충분히 인기가있는 경우 필요한 항공 시설을 설치해야합니다.
압축 공기 엔진은 냉각 시스템, 점화 플러그, 시동 모터 또는 머플러를 만들 필요가 없기 때문에 차량 생산 비용을 절감합니다.
시간이 지남에 따라 천천히 충전량을 소모하는 배터리에 비해자가 방전 속도가 매우 낮습니다. 따라서 차량은 전기 자동차보다 오랜 시간 동안 사용하지 않을 수 있습니다.
압축 공기의 팽창은 온도를 낮 춥니 다. 이것은 공기 조절용으로 이용 될 수 있습니다.
휘발유 또는 배터리 산 / 금속과 같은 유해 화학 물질의 감소 또는 제거
일부 기계적 구성은 공기를 압축하고 저장함으로써 제동 중에 에너지 회수를 허용 할 수 있습니다.
스웨덴의 룬드 대학 (Lund University)은 버스가 에어 하이브리드 시스템을 사용하여 최대 60 %의 연비 향상을 볼 수 있다고보고합니다. 그러나 이는 압축 공기 전용 차량이 아닌 하이브리드 공기 개념 (제동시 에너지의 회복으로 인한 것)을 나타냅니다.
단점
주요한 단점은 에너지 변환 및 전송 단계입니다. 각각의 에너지 손실이 본질적으로 손실되기 때문입니다. 연소 엔진 자동차의 경우, 화석 연료의 화학 에너지가 엔진에 의해 기계 에너지로 전환되면 에너지가 손실됩니다. 전기 자동차의 경우, 발전소의 전기 (모든 출처)가 자동차의 배터리로 전달되고, 자동차의 배터리는 자동차의 모터로 전기를 전송하여 전기를 기계 에너지로 변환합니다. 압축 공기 자동차의 경우 발전소의 전기가 압축기로 전달되어 기계식으로 공기를 자동차의 탱크로 압축합니다. 자동차의 엔진은 압축 공기를 기계 에너지로 변환합니다.
추가 우려 사항 :
공기가 엔진에서 팽창 할 때 극적으로 냉각되고 열 교환기를 사용하여 주변 온도로 가열해야합니다. 가열은 이론적 인 에너지 출력의 상당 부분을 얻기 위해 필요합니다. 열교환 기는 문제가 될 수 있습니다. 내연 기관용 인터쿨러와 비슷한 작업을 수행하지만 유입 공기와 작동 가스 사이의 온도 차이는 더 작습니다. 저장된 공기를 가열 할 때 장치는 매우 차가워지고 시원하고 습기 찬 기후에서 얼음을 위로 춥니 다.
이것은 또한 압축 공기를 완전히 탈수 할 필요성을 초래합니다. 압축 공기에 습기가 있으면 엔진이 내부 결빙으로 인해 정지합니다. 습기를 완전히 제거하려면 재사용 할 수없고 손실되는 추가 에너지가 필요합니다. (여름철 m3 공기 전형 값당 물 10g에서 90m3의 물 900g을 꺼내야하며, 기화 엔탈피는 2.26MJ / kg이므로 이론적으로는 0.6kWh가 필요합니다 기술적으로 냉기 건조가 필요합니다 이 숫자는 3-4로 곱해야합니다. 또한, 탈수는 가정용 충전기가 완전히 불가능하거나 적어도 합리적인 비용이 들지 않도록 전문가 용 압축기에서만 수행 할 수 있습니다.
반대로 공기가 압축되어 탱크를 채우면 온도가 올라갑니다. 탱크가 채워지는 동안 저장된 공기가 냉각되지 않으면 나중에 공기가 냉각되면 압력이 감소하고 사용 가능한 에너지가 감소합니다.
이를 방지하기 위해 탱크에는 충전 중에 공기를 빠르고 효율적으로 냉각하기 위해 내부 열교환기를 장착 할 수 있습니다.
대안 적으로, 스프링이 탱크 내에 삽입 될 때 공기로부터 작업 물을 저장하기 위해 사용될 수있어, 탱크와 충전기 사이의 낮은 압력 차를 유지하여 이송 된 공기에 대한 온도 상승을 낮춘다.
가정용 또는 저가형의 기존 공기 압축기를 사용하여 압축 공기 용기에 연료를 보충하는 데는 최대 4 시간이 걸리지 만 주유소의 특수 장비로는 3 분 내에 탱크를 채울 수 있습니다. 300 리터 저장고 (90m3 공기 @ 1bar)에 2.5kWh @ 300bar를 저장하려면 약 30kWh의 압축기 에너지 (1 단 단열 압축기 사용)가 필요합니다. 산업 표준 다단계 장치로 21 kWh. 즉, 단일 단계 장치에서 5 분 안에 저장소를 채우려면 360kW의 압축기 동력이 필요하고 다단식 장치에서는 250kW가 필요합니다. 그러나, 충분히 큰 열교환 기가 설치되면, 인터쿨러 및 등온 압축은 단열 압축보다 훨씬 효율적이고 실용적입니다. 최고 65 %의 효율이 달성 될 수 있지만 (대용량 산업용 컴프레서의 전류 효율은 최대 50 %이지만) 납 축전지의 쿨롱 효율보다 낮습니다.
위의 연료 보급 수치를 사용하는 압축 공기 에너지 저장 장치를 사용하는 차량의 전반적인 효율은 약 5-7 %입니다. 비교를 위해, 종래의 내부 연소 구동 트레인의 휠 효율에 대해서는 약 14 %
초기 테스트는 탱크의 저장 용량이 제한적이라는 것을 보여주었습니다. 압축 공기만으로 달리고있는 차량의 유일한 공개 테스트는 7.22km의 범위로 제한되었습니다.
2005 년 연구에 따르면 리튬 이온 배터리를 사용하는 자동차는 압축 공기와 연료 전지 차량 모두를 동일한 속도로 3 배 이상 능가합니다. MDI는 2007 년에 에어 카가 도시 고속 주행시 140km를 주행 할 수 있으며 압축 공기만으로 작동 할 때 주행 속도가 110km / h (68mph) 인 80km의 범위를 가지며 2017 년 8 월에이 성능과 일치하는 차량을 아직 생산하지 못했습니다.
2009 년 University Berkeley Research Letter는 “매우 낙관적 인 가정 하에서도 압축 공기 자동차는 배터리 전기 자동차보다 훨씬 효율적이지 않으며 석탄 집약적 인 파워 믹스가있는 기존의 가스 구동 자동차보다 더 많은 온실 가스 배출을 발생시킵니다.” 그러나 그들은 또한 “공압식 연소 하이브리드는 기술적으로 실현 가능하고 저렴하며 결국 하이브리드 전기 자동차와 경쟁 할 수있다”고 제안했다.
그것은 종종 작동 속도를 시작하고 유지하는 것과 같은 다양한 작업에 도움이되는 작은 가솔린 엔진을 동반합니다. 이 엔진은 이산화탄소를 배출합니다.
충돌 안전
심각한 충돌 상황에서 경량 차량 에어 탱크의 안전 요구 사항은 확인되지 않았습니다. 북미 충돌 시험은 아직 실시되지 않았으며, 회의론자들은 접착제로 조립 된 초경량 차량이 허용 가능한 충돌 안전 결과를 산출하는 능력에 의문을 제기합니다. MDI 부회장이자 Zero Pollution Motors의 CEO 인 Shiva Vencat은 차량이 충돌 테스트를 통과하고 미국 안전 기준을 충족 할 것이라고 주장합니다. 그는 AirCar에 투자 한 수백만 달러가 헛되지 않을 것이라고 주장합니다. 지금까지 북미 충돌 시험을 통과 한 경량의 100+ mpg 자동차는 한번도 없었습니다. 기술 발전으로 곧 이럴 가능성이 있지만 AirCar는 아직 증명하지 못했으며 충돌 안전 문제가 남아 있습니다.
에어 카와 함께 허용 범위를 달성하는 열쇠는 실제로 가능한 한 자동차를 주행하는 데 필요한 전력을 줄이는 것입니다. 이것은 무게를 최소화하는쪽으로 디자인을 밀어 넣습니다.
미국 정부의 고속도로 교통 안전청 (NSC) 보고서에 따르면 10 가지 종류의 승용차 중 “매우 작은 자동차”가 마일 당 가장 높은 사망률을 보이고있다. 예를 들어, 55,000 년간 연간 12,000 마일을 운전하는 사람은 치명적인 사고에 연루 될 확률이 1 %입니다. 이는 가장 안전한 차량 등급 인 “대형차”의 2 배의 사망률입니다. 이 보고서의 데이터에 따르면 마일 당 치명적인 충돌 횟수는 차량 중량과 약한 상관 관계가 있으며 상관 계수는 약 -0.45입니다. 더 강한 상관 관계는 동급 차량 크기와 함께 나타납니다. 예를 들어 “대형”자동차, 픽업 및 SUV는 “소형”자동차, 픽업 및 SUV보다 사망률이 낮습니다. 미니 밴과 중형차가 가장 안전한 자동차 중 하나 인 중형 차량을 제외하고 10 개 클래스 중 7 개 클래스의 경우입니다. 반면 중형 SUV는 초소형 자동차보다 두 번째로 치명적입니다. 비록 무거운 차량이 때때로 통계적으로 더 안전 할지라도, 더 안전하게되는 원인이되는 여분의 무게 일 필요는 없습니다. NHTSA 보고서에 따르면 “더 무거운 차량은 역사적으로 충돌시 탑승자를 완충시키는 더 나은 작업을 수행했으며, 더 긴 후드와 탑승구의 여분 공간은 차량과 승객의 점차적 인 감속을위한 기회를 제공합니다. .. 가벼운 차량은 비슷한 긴 후드와 가벼운 감속 펄스로 만들 수 있지만, 아마도 재료와 디자인에 큰 변화가 필요하거나 엔진, 액세서리 등의 무게를 줄일 필요가 있습니다. ”
공기 자동차는 일반적으로 일반 타이어보다 적은 그립력을 제공하는 낮은 회전 저항 타이어를 사용할 수 있습니다. 또한, 에어백, ABS 및 ESC와 같은 안전 시스템의 무게 (및 가격)는 제조업체가 이들을 포함시키지 못하게 할 수 있습니다.
개발자 및 제조업체
다양한 회사가 압축 공기 자동차의 연구, 개발 및 배치에 투자하고 있습니다. 예를 들어, MDI Air Car는 2002 년 남아공에서 공개 데뷔했으며 2004 년 1 월 “6 개월 이내”생산에 들어갈 것으로 예상됩니다. 2009 년 1 월 현재 , 공기 차는 결코 남아프리카의 생산에 들어 가지 않았다. 개발중인 차량의 대부분은 자동차의 범위와 성능을 높이기 위해 유사한 기술을 저에너지 차량에 사용합니다. [설명 필요]
MDI
MDI는 AIRPod, OneFlowAir, CityFlowAir, MiniFlowAir 및 MultiFlowAir로 구성된 다양한 차량을 제안했습니다. 이 회사의 주요 혁신 중 하나는 “활성 챔버”의 구현입니다. 활성 챔버는 에너지 출력을 두 배로 늘리기 위해 (연료 사용을 통해) 공기를 가열하는 구획입니다. 이 ‘혁신’은 1904 년 어뢰에 처음으로 사용되었습니다.
타타 모터스
2009 년 1 월 현재 인도의 Tata Motors는 2011 년 MDI 압축 공기 엔진을 장착 한 차량을 출시 할 계획이었습니다. 2009 년 12 월 Tata의 엔지니어링 시스템 담당 부사장은 제한된 범위와 낮은 엔진 온도가 문제를 일으키는 것으로 확인했습니다.
타타 모터스 (Tata Motors)는 2012 년 5 월 인도 시장 전체 생산에 대한 “기술적 개념 증명”인 디자인 패싱 단계 1을 평가했다고 발표했다. Tata는 2 단계로 넘어갔습니다. “압축 공기 엔진의 상세한 개발을 특정 차량 및 고정 응용 프로그램으로 완료했습니다.”
2017 년 2 월 Tata의 Advanced and Product Engineering의 사장이자 팀장 인 Tim Leverton은 2020 년까지 첫 번째 차량을 사용할 수있는 “산업화 시작”시점에있었습니다. 다른 보고서에 따르면 Tata는 이전에 MDI와의 협력의 일환으로 고려 중이던 Tata Nano의 압축 공기 버전.
Engineair
Engineair는 Angelo Di Pietro가 설계 한 혁신적인 회전식 공기 엔진을 사용하여 다양한 프로토 타입 소형 차량의 프로토 타입을 제작 한 호주 회사입니다. 회사는 엔진을 활용할 상업 파트너를 찾고 있습니다.
푸조 / 시트로엥
푸조와 시트로엥은 압축 공기를 에너지 원으로 사용하는 자동차를 제작할 계획이라고 발표했습니다. 그러나 그들이 설계하고있는 자동차는 가솔린 엔진을 사용하는 하이브리드 시스템을 사용합니다 (자동차를 70km / h 이상 주행하거나 압축 공기 탱크가 고갈 된 경우 사용됩니다). 2015 년 1 월, “프랑스에서 실망스러운 뉴스가있었습니다. PSA 푸조 시트로엥은 유망한 하이브리드 에어 파워 트레인의 개발을 무기한 보류했습니다. 분명히이 회사는 엄청난 비용을 쪼개는 개발 파트너를 찾을 수 없었기 때문입니다 시스템을 설계하는 것 “이라고 말했다. 개발 비용은이 시스템에 대해 5 억 유로로 추산되는데, 이는 분명히 1 년에 약 50 만대의 자동차에 적합 할 필요가있을 것입니다. 이 프로젝트의 책임자는 2014 년 푸조를 떠났다.
APUQ
APUQ (Association for Promotion des Uses de la Quasiturbine)는 Quasiturbine에 의해 구동되는 APUQ Air Car를 만들었습니다.
비판
캘리포니아 주 버클리 대학 (University of California, Berkeley)의 연구에서 캘리포니아 주와 관련된 온실 가스 배출량, 연료비, 일차 에너지 소비량 및 탱크 용량면에서 휘발유 자동차, 배터리 전기 자동차 및 공압식 자동차를 비교했습니다. 비교 대상은 기존의 Smart Fortwo, 배터리 전기 Smart Fortwo ED 및 가정용 공압식 자동차였습니다. 압축 공기 차량의 기술 매개 변수가 알려지지 않은 경우 낙천적으로 추정되었습니다. 온실 가스 배출량, 연료 비용 및 탱크 용량 측면에서 볼 때, 캘리포니아 항공기 가솔린 자동차는 가솔린 또는 배터리 자동차보다 현저하게 성능이 좋았습니다. 일차적 인 에너지 소비 측면에서만 가솔린 자동차보다 우위에 있었지만, 재생 가능 에너지로 작동 할 때만 이점이있었습니다. 배터리 자동차는 모든 측면에서 압축 공기 자동차보다 훨씬 뛰어납니다.
MDI에 대한 추가 비판은 현재 수행 된 적이없는 약속 된 서비스 및 기술 이전과 관련하여 현재 및 이전 비즈니스 파트너에 의해 현재 작성되고 있습니다.