Veículo a ar comprimido

Um veículo de ar comprimido (CAV) é um mecanismo de transporte alimentado por tanques de gás atmosférico pressurizado e impulsionado pela liberação e expansão do gás dentro de um motor pneumático. Os CAVs encontraram aplicação em torpedos, locomotivas usadas em túneis de escavação e primeiros protótipos de submarinos. Vantagens ambientais potenciais têm gerado interesse público nos CAV’s como carros de passageiros, mas eles não têm sido competitivos devido à baixa densidade de energia do ar comprimido e à ineficiência do processo de compressão / expansão.

A propulsão a ar comprimido também pode ser incorporada em sistemas híbridos, como a propulsão elétrica por bateria. Esse tipo de sistema é chamado de propulsão elétrica híbrido-pneumática. Além disso, a frenagem regenerativa também pode ser usada em conjunto com este sistema.

História
A utilização de ar comprimido como força motriz de um veículo remonta ao desenvolvimento de ferrovias e bondes mecânicos de tração onde, em algumas situações, como mineração e redes urbanas, era necessário evitar os riscos de incêndio e a poluição inerente à a locomotiva a vapor comum.

Os primeiros sistemas de Tomlinson (1820) nos Estados Unidos ou Andraud (1830) na França foram falhas porque o ar comprimido circulou em um tubo ao longo da pista e a locomotiva teve que ser equipada para levá-lo continuamente. (por um dispositivo semelhante às catapultas de porta-aviões) que causou vazamentos e desempenho ruim.

Um novo sistema projetado por Antoine Andraud e Cyprien Tessie du Motay em Paris em 1840, onde a locomotiva estava equipada com um tanque que foi preenchido em certos pontos da rede, provou a viabilidade do sistema.

As primeiras aplicações práticas de veículos ferroviários de ar comprimido remontam ao avanço dos túneis ferroviários (1872), particularmente o do Gotthard na Suíça, e alguns experimentos de bondes. Mas o resfriamento do cilindro do motor pela expansão do ar comprimido transformou a umidade do ar do motor em cristais de gelo, o que causou bloqueios.

Foi o engenheiro Louis Mekarski que aperfeiçoou o sistema, combinando ar comprimido e água sobreaquecida sob pressão, e tornou-o totalmente operacional para equipar as redes de eléctricos. Foi testado pela primeira vez nos bondes parisienses de 1876 a 1879 na rede Tramways North.

Em seguida, foi utilizado em várias linhas da rede Île-de-France: Nogentan Railways, Sèvres Tramway para Versailles, Tramway Company de Saint-Maur-des-Fossés e na rede de Paris da Compagnie Générale des Omnibus de 1894 a 1914.

A partir de 1879, toda a rede de bondes Nantes foi gradualmente equipada com mais de 90 veículos a ar comprimido, o que deu satisfação até 1917. A partir de 1890, outras cidades se equiparam com bondes Mekarski como Berna (1890), Vichy (1895), Aix-les- Bains (1896), Saint-Quentin (1899) e La Rochelle (1901). As locomotivas Mekarski também estavam em serviço na parte parisiense de Arpajonnais para o serviço “silencioso” das Halles de Paris de 1895 até 1901.

Um dos projetos de trens leves de Nova York foi o de usar ar comprimido e locomotivas de água superaquecidas. O motor funcionava em frenagem regenerativa, recarregando o tanque de ar comprimido e aquecendo o tanque de água.

A partir de 1896, a HK Porter Company de Pittsburgh colocou no mercado a locomotiva de ar comprimido inventada por Charles B. Hodges. O motor de expansão dupla e tripla (cilindros de alta e baixa pressão) foi complementado por um permutador de calor atmosférico. O ar comprimido resfriado pela primeira expansão foi aquecido pelo ar ambiente, tornando o dispositivo de água superaquecida desnecessário e melhorando consideravelmente a eficiência geral. Milhares de locomotivas Porter alimentaram minas de carvão no leste dos Estados Unidos até a década de 1930. Outros fabricantes em todo o mundo produziram máquinas semelhantes para minas e fábricas em indústrias que não toleram fumaça ou poeira. O alcance aumentou com a possibilidade de construir reservatórios de ar com pressão muito alta (até 250 bars). Essas máquinas serviram até a década de 1950, antes de serem ultrapassadas pelo desenvolvimento de motores a gás de baixa emissão e melhores acumuladores elétricos.

A implementação do automóvel também foi objeto de algumas conquistas. Menos poluente do que o veículo elétrico (que polui pelos componentes de suas baterias), mas também sofre de uma autonomia limitada, o conceito parece esquecido do mundo “ecológico” e não se beneficia no momento de qualquer grande industrial para sua promoção e seu desenvolvimento. Várias empresas, no entanto, estão trabalhando na aplicação do motor de ar comprimido para o automóvel.

Em 7 de maio de 2012, a empresa indiana Tata Motors, que constrói veículos compactos de baixo custo, anunciou que passou com sucesso em cooperação com a empresa MDI, testou o uso de protótipos e iniciou uma fase de instalação do processo. de fabricação deste veículo.

Teoria
De acordo com a lei de Boyle,

Para uma massa fixa de gases ideais a uma temperatura fixa, a magnitude da pressão pela magnitude do volume resulta em uma constante.

Robert Boyle e Edme Mariotte
Portanto, sob uma temperatura idêntica:

a pressão multiplicada pelo volume do gás contido em um tanque corresponde a uma constante;
a variação da pressão do gás é inversamente proporcional ao seu volume.
Se qualquer um dos dois, quer a pressão ou o volume é alterado, o fator T pode, portanto, ser modificado. O que nos leva aos conceitos de termodinâmica, a expansão adiabática do ar comprimido.

Quanto mais rápida e brutal a mudança no produto de pressão e volume, o gás consegue satisfazer essa constante em menos tempo e reflete parte dessa conversão em temperatura.

Esta é a razão pela qual os métodos de utilização de ar comprimido em um sistema explicam por que, com motores de ar comprimido com duas tendências principais, conceitualmente diferentes:

Exploração Termodinâmica
No momento da rápida expansão de uma grande quantidade de ar comprimido, correspondendo a uma diminuição significativa na pressão, é fisicamente impossível que o gás recupere seu volume inicial; a variação de temperatura que se segue produz um resfriamento significativo, enquanto a expansão do volume útil pode ser limitada a aproximadamente 40% do volume teórico. Por outro lado, com a compressão, a redução de volume geralmente envolve um aumento na temperatura, resultando novamente em um volume total de ar comprimido inferior ao seu valor teórico.

As tecnologias exploradas por MDI, Energine e Quasiturbine requerem fluxos relativamente importantes ao explorar para animar os motores, mas devem necessariamente ser restringidas por limitações termodinâmicas.

Dinâmica de exploração
Para produzir um empuxo mecânico evitando esse obstáculo, ou, pelo menos, reduzindo seus efeitos, é necessário obedecer a certas regras: permitir a expansão o mais lentamente possível, ou seja, trabalhando com baixas correntes (mas isso, claro, significa uma contrapartida negativa no que diz respeito à limitação da potência do motor), para regular as variações repentinas da pressão quando ela é muito importante (pelo uso de redutores de pressão e outros intermediários de descompressão habilitados), para manter, bem como a temperatura constante possível do gás, se não para aumentar o desempenho da compressão / expansão de um esfriamento / aquecimento da utilidade do ar.

Tecnologia
O motor de ar comprimido e os tanques de ar comprimido são casos especiais de sistemas pneumáticos, que utilizam os princípios da termodinâmica dos gases compressíveis apresentados nos artigos correspondentes.

Comparação Pneumática, Elétrica e Térmica
Comparado ao motor elétrico ou ao motor de combustão interna, o motor pneumático possui certas vantagens, mas também pontos fracos de importância para sua adaptação ao transporte automotivo:

Em relação ao acúmulo de energia
o custo de fabricação do reservatório de ar comprimido é menor que o de um acumulador elétrico, mas superior ao de um tanque de combustível;
um tanque de ar composto é muito menos pesado que um acumulador elétrico, mas mais que um tanque de combustível;
a fabricação de um tanque de ar pode ser dispendiosa em energia (fibra de carbono), mas não inclui metais altamente poluentes (ao contrário de muitos tipos de acumuladores elétricos);
o tanque de ar comprimido usa pouco e pode suportar mais de 10.000 ciclos de carga e descarga, dando-lhe uma vida virtualmente ilimitada;
a reciclagem do tanque de ar comprimido é mais fácil do que a de um acumulador elétrico;
para uso móvel, a massa de ar transportado diminui durante o uso do veículo, assim como para o combustível, diferentemente do peso do acumulador elétrico;
no entanto, o conteúdo energético do ar comprimido é baixo; por exemplo, um volume de 300 litros a 300 bar só pode fornecer um máximo teórico de 14,3 kWh e, na prática, esse valor é reduzido para cerca de 7 kWh para expansão adiabática, que é próxima ao comportamento real de motores pneumáticos;
O carregamento e a descarga de um acumulador elétrico podem ser feitos com uma eficiência energética de 90%, associada a uma eficiência de um motor elétrico entre 90 e 96%, o que dá uma eficiência geral de cerca de 70%. a 75%;
a pressão cai quando o tanque de ar esvazia, resultando em uma queda na energia disponível ou uma diminuição na eficiência se um regulador for usado para regular a pressão;
a umidade do ar comprimido deve ser completamente removida para evitar a formação de gelo durante a expansão no motor: ou a água é removida antes da compressão, ou o ar comprimido é aquecido durante a expansão, gerando significativas perdas adicionais de energia;
o carregamento elétrico é silencioso enquanto a compressão de ar não é.

Sobre o motor
o motor pneumático pode operar a baixa velocidade (100 a 2000 rotações por minuto de acordo com a capacidade cúbica);
oferece um torque grande e quase constante sobre a faixa de rotação do motor;
poderia fornecer frio para o veículo; por outro lado, na ausência de perdas de calor de um motor de combustão interna, é necessário fornecer calor adicional para aquecer o veículo;
um motor térmico convencional com a mesma potência (cerca de 7 kW) que um motor de ar comprimido é de tamanho e peso comparáveis ​​ou mesmo menores (consulte os motores de propulsão para modelos de aviões, etc.).

Quanto à viabilidade comercial
os veículos a ar comprimido não conseguiram alcançar a comercialização apesar de várias décadas de desenvolvimento; Por outro lado, muitos fabricantes colocaram no mercado diferentes modelos de veículos elétricos cujas vendas globais mostram um crescimento constante;
as performances anunciadas pelos criadores de veículos de ar comprimido nunca foram verificadas independentemente e, portanto, podem ser questionadas.
Comparado aos motores de combustão interna, tanto os sistemas pneumáticos quanto os elétricos têm a desvantagem de baixa autonomia aceitável para veículos como o bonde do início do século 20, com suas freqüentes paradas e rotas fixas permitindo a recarga rápida do ar, mas é menos compatível com o uso atual um veículo particular. No entanto, o uso de técnicas de última geração (tanques de ar de fibra de carbono) poderia ajudar a reduzir essa desvantagem ao iluminar veículos (veja o capítulo sobre “autonomia” e métodos para estimar a energia no ar). artigo energia pneumática).

Tanques
Os tanques devem ser projetados para padrões de segurança apropriados para um vaso de pressão, como o ISO 11439.

O tanque de armazenamento pode ser feito de metal ou materiais compostos. Os materiais de fibra são consideravelmente mais leves que os metais, mas geralmente são mais caros. Os tanques de metal podem suportar um grande número de ciclos de pressão, mas devem ser verificados quanto à corrosão periodicamente.

Uma empresa armazena ar em tanques de 4.500 libras por polegada quadrada (cerca de 30 MPa) e armazena quase 3.200 pés cúbicos (cerca de 90 metros cúbicos) de ar.

Os tanques podem ser reabastecidos em uma estação de serviço equipada com trocadores de calor ou, em poucas horas, em casa ou em estacionamentos, conectando o carro à rede elétrica por meio de um compressor embarcado. O custo de dirigir esse tipo de carro é tipicamente de cerca de € 0,75 por 100 km, com um reabastecimento total no “posto-tanque” de cerca de US $ 3.

Ar comprimido
O ar comprimido tem uma baixa densidade de energia. Em contêineres de 300 bar, é possível obter cerca de 0,1 MJ / L e 0,1 MJ / kg, comparáveis ​​aos valores das baterias eletroquímicas de chumbo-ácido. Enquanto as baterias conseguem manter a tensão durante a descarga e os tanques de combustível fornecem a mesma densidade de energia do primeiro ao último litro, a pressão dos tanques de ar comprimido diminui à medida que o ar é retirado. Um automóvel de consumo de tamanho convencional e forma tipicamente consome 0.3–0.5 kWh (1.1–1.8 MJ) no eixo de acionamento por milha de uso, embora tamanhos não convencionais possam funcionar com significativamente menos.

Saída de emissão
Como outras tecnologias de armazenamento de energia não-combustão, um veículo aéreo desloca a fonte de emissão do tubo de escape do veículo para a central elétrica central. Onde fontes de baixas emissões estão disponíveis, a produção líquida de poluentes pode ser reduzida. As medidas de controle de emissões em uma usina geradora central podem ser mais eficazes e menos dispendiosas do que o tratamento das emissões de veículos amplamente dispersos.

Como o ar comprimido é filtrado para proteger o maquinário do compressor, o ar descarregado tem menos poeira suspensa nele, embora possa haver transferência de lubrificantes usados ​​no motor. O carro funciona quando o gás se expande.

Vantagens
Os veículos a ar comprimido são comparáveis ​​em muitos aspectos aos veículos elétricos, mas usam ar comprimido para armazenar energia em vez de baterias. Suas vantagens potenciais em relação a outros veículos incluem:

Assim como os veículos elétricos, os veículos movidos a ar seriam alimentados pela rede elétrica. O que torna mais fácil se concentrar em reduzir a poluição de uma fonte, em oposição aos milhões de veículos na estrada.
O transporte do combustível não seria necessário devido ao desligamento da rede elétrica. Isso apresenta benefícios significativos de custo. Poluição criada durante o transporte de combustível seria eliminada.
A tecnologia de ar comprimido reduz o custo de produção de veículos em cerca de 20%, porque não há necessidade de construir um sistema de refrigeração, tanque de combustível, sistemas de ignição ou silenciadores.
O motor pode ser massivamente reduzido em tamanho.
O motor funciona com ar frio ou quente, por isso pode ser feito de material leve de baixa resistência, como alumínio, plástico, teflon de baixa fricção ou uma combinação.
Baixos custos de fabricação e manutenção, além de fácil manutenção.
Os tanques de ar comprimido podem ser descartados ou reciclados com menos poluição que as baterias.
Veículos de ar comprimido não são limitados pelos problemas de degradação associados aos sistemas de baterias atuais.
O tanque de ar pode ser reabastecido com mais freqüência e em menos tempo do que as baterias podem ser recarregadas, com taxas de reenchimento comparáveis ​​aos combustíveis líquidos.
Veículos mais leves causam menos danos às estradas, resultando em menor custo de manutenção.
O preço do enchimento de veículos movidos a ar é significativamente mais barato do que gasolina, diesel ou biocombustível. Se a eletricidade for barata, a compactação do ar também será relativamente barata.

Desvantagens
A principal desvantagem é o uso indireto de energia. A energia é usada para comprimir o ar, que, por sua vez, fornece a energia para o funcionamento do motor. Qualquer conversão de energia entre formulários resulta em perda. Para carros de combustão convencionais, a energia é perdida quando o óleo é convertido em combustível utilizável – incluindo perfuração, refinamento, mão de obra, armazenamento, eventualmente transporte para o usuário final. Para os carros a ar comprimido, a energia é perdida quando a energia elétrica é convertida em ar comprimido e quando o combustível, seja carvão, gás natural ou nuclear, é queimado para acionar os geradores elétricos.

Quando o ar se expande, como no motor, ele resfria dramaticamente (lei de Charles) e deve ser aquecido à temperatura ambiente usando um trocador de calor similar ao Intercooler usado para motores de combustão interna. O aquecimento é necessário para obter uma fração significativa da produção teórica de energia. O trocador de calor pode ser problemático. Enquanto executa uma tarefa semelhante ao Intercooler, a diferença de temperatura entre o ar de entrada e o gás de trabalho é menor. Ao aquecer o ar armazenado, o dispositivo fica muito frio e pode congelar em climas frios e úmidos.
O reabastecimento do contêiner de ar comprimido usando um compressor de ar convencional ou convencional pode levar até 4 horas, enquanto o equipamento especializado nas estações de serviço pode encher os tanques em apenas 3 minutos.
Tanques ficam muito quentes quando cheios rapidamente. Os tanques SCUBA são às vezes imersos em água para resfriá-los quando estão sendo enchidos. Isso não seria possível com tanques em um carro e, portanto, levaria muito tempo para encher os tanques, ou eles teriam que levar menos do que uma carga completa, já que o calor aumenta a pressão. No entanto, se bem isolado, como o desenho do frasco de Dewar (vácuo), o calor não teria que ser perdido, mas colocado em uso quando o carro estivesse funcionando.
Testes iniciais demonstraram a capacidade de armazenamento limitada dos tanques; o único teste publicado de um veículo rodando somente com ar comprimido foi limitado a um alcance de 7,22 km (4 mi).
Um estudo de 2005 demonstrou que os carros que funcionam com baterias de íons de lítio superam os veículos de ar comprimido e de célula de combustível mais de três vezes nas mesmas velocidades. A MDI afirmou recentemente que um carro aéreo poderá viajar 140 km (185 km) em direção urbana, e ter um alcance de 80 km (50 milhas) com uma velocidade máxima de 110 km / h (68 mph) em rodovias, ao operar apenas com ar comprimido.
Melhorias possíveis
Veículos de ar comprimido operam de acordo com um processo termodinâmico porque o ar resfria quando expande e aquece ao ser comprimido. Uma vez que não é prático utilizar um processo teoricamente ideal, ocorrem perdas e as melhorias podem envolver a redução destas, por exemplo, utilizando grandes permutadores de calor para utilizar o calor do ar ambiente e ao mesmo tempo proporcionar arrefecimento do ar no habitáculo. Na outra ponta, o calor produzido durante a compressão pode ser armazenado em sistemas de água, sistemas físicos ou químicos e reutilizado posteriormente.

Pode ser possível armazenar ar comprimido a baixa pressão usando um material de absorção dentro do tanque. Materiais de absorção como carvão ativado ou uma estrutura metálica orgânica são usados ​​para armazenar gás natural comprimido a 500 psi em vez de 4500 psi, o que equivale a uma grande economia de energia.

Veículos

Carros de produção
Várias empresas estão investigando e produzindo protótipos, incluindo veículos híbridos de ar comprimido / gasolina. A partir de agosto de 2017, nenhum dos desenvolvedores entrou em produção, embora a Tata tenha indicado que começará a vender veículos a partir de 2020 e a distribuidora norte-americana Zero Pollution Motors da MDI diz que a produção do AIRPod começará na Europa em 2018.

Carros e bicicletas experimentais
Em 2008, um veículo movido a ar comprimido e gás natural projetado por estudantes de engenharia da Universidade Deakin, na Austrália, foi vencedor do concurso Ford Motor Company T2 para produzir um carro com alcance de 200 km e um custo inferior a US $ 7.000.

A empresa australiana Engineair produziu vários tipos de veículos – ciclomotor, carro pequeno, pequeno transportador, carrinho – em torno do motor de ar comprimido rotativo criado por Angelo Di Pietro. A empresa está buscando parceiros para utilizar seu motor.

Uma motocicleta de ar comprimido, chamada Green Speed ​​Air Powered Motorcycle, foi fabricada pela Edwin Yi Yuan, baseada no Suzuki GP100 e usando o motor de ar comprimido Angelo Di Pietro.

Três estudantes de engenharia mecânica da San Jose State University; Daniel Mekis, Dennis Schaaf e Andrew Merovich projetaram e construíram uma bicicleta que funciona com ar comprimido. O custo total do protótipo estava abaixo de US $ 1.000 e foi patrocinado pela Sunshops (no Boardwalk em Santa Cruz, Califórnia) e NO DIG NO RIDE (de Aptos, Califórnia). A velocidade máxima da viagem inaugural em maio de 2009 foi de 23 mph. Embora seu design fosse simples, esses três pioneiros de veículos movidos a ar comprimido ajudaram a preparar o caminho para a montadora francesa Peugeot Citreon inventar um novo híbrido a ar. O sistema ‘Hybrid Air’ usa ar comprimido para movimentar as rodas do carro ao dirigir abaixo de 70 km / h. Peugeot diz que o novo sistema híbrido deve chegar a 141 milhas por litro de gasolina. Os modelos devem ser lançados em 2016. O chefe do projeto deixou a Peugeot em 2014 e em 2015 a empresa disse que não conseguiu encontrar um parceiro para dividir os custos de desenvolvimento, terminando efetivamente o projeto.

“Ku: Rin” chamado de veículo de três rodas comprimido a ar foi criado pela Toyota em 2011. A especialidade sobre este veículo é que ele registrou um recorde de maior velocidade 129,2 km / h (80 mph), mesmo que tenha motor que usa apenas ar comprimido. Este carro foi desenvolvido pelas empresas “Dream Car Workshop”. Este carro é apelidado de “foguete elegante” ou “foguete em forma de lápis”.

Como parte do programa de TV Planet Mechanics, Jem Stansfield e Dick Strawbridge transformaram uma scooter normal em um ciclomotor de ar comprimido. Isso foi feito equipando a scooter com um motor de ar comprimido e tanque de ar.

Em 2010, a Honda apresentou o carro-conceito Honda Air no LA Auto Show.

Trens, bondes, barcos e aviões
Locomotivas a ar comprimido são uma espécie de locomotiva sem fogo e têm sido usadas na mineração e perfuração de túneis.

Vários bondes movidos a ar comprimido foram testados, a partir de 1876. Em Nantes e Paris, esses bondes funcionavam em serviço regular por 30 anos.

Atualmente, não existem veículos aquáticos ou aéreos que utilizem o motor de ar comprimido. Historicamente, certos torpedos eram propulsionados por motores a ar comprimido.