Пневматический двигатель (воздушный двигатель) или двигатель сжатого воздуха — это тип двигателя, который выполняет механические работы за счет расширения сжатого воздуха. Пневматические двигатели обычно преобразуют энергию сжатого воздуха в механическую работу посредством линейного или вращательного движения. Линейное движение может поступать либо от диафрагмы, либо от поршневого привода, в то время как вращательное движение обеспечивается либо воздушным двигателем типа лопастного типа, и поршневым воздушным двигателем, либо воздушной турбиной, либо двигателем редуктора.

Пневматические двигатели существовали во многих формах за последние два столетия, варьируя от ручных двигателей до двигателей до нескольких сотен лошадиных сил. Некоторые типы полагаются на поршни и цилиндры; другие на щелевых роторах с лопастями (лопастные двигатели) и другие используют турбины. Многие двигатели сжатого воздуха улучшают свои рабочие характеристики, нагревая поступающий воздух или сам двигатель. Пневматические двигатели получили широкое распространение в ручном инструментальном производстве, но также используются в широком спектре промышленных применений. Постоянно предпринимаются попытки расширить их использование в транспортной отрасли. Тем не менее, пневматические двигатели должны преодолевать неэффективность, прежде чем рассматривать их как жизнеспособный вариант в транспортной отрасли.

классификация

линейный
Для достижения линейного движения из сжатого воздуха наиболее часто используется система поршней. Сжатый воздух подается в воздухонепроницаемую камеру, в которой находится вал поршня. Также внутри этой камеры пружина наматывается вокруг вала поршня, чтобы полностью закрыть камеру, когда воздух не закачивается в камеру. Когда воздух подается в камеру, сила на поршневом валу начинает преодолевать силу, действующую на пружину. Когда в камеру поступает больше воздуха, давление увеличивается, и поршень начинает двигаться вниз по камере. Когда он достигает максимальной длины, давление воздуха выходит из камеры, а пружина завершает цикл, закрывая камеру, чтобы вернуться в исходное положение.

Поршневые двигатели наиболее часто используются в гидравлических системах. По сути, поршневые двигатели такие же, как и гидравлические двигатели, за исключением того, что они используются для преобразования гидравлической энергии в механическую энергию.

Поршневые двигатели часто используются в серии из двух, трех, четырех, пяти или шести цилиндров, которые заключены в корпус. Это позволяет увеличить мощность поршней, поскольку несколько двигателей синхронно друг с другом в определенное время их цикла.

Эти пневматические двигатели представляют собой пневматические цилиндры или стержни. В последнем линейное смещение стержня получается под действием сжатого воздуха на одной поверхности поршня, а другая сторона поршня находится под более низким давлением, обычно близким к атмосферному. Гнездо позволяет вам проявлять максимальную силу

F = Δp × S
Δp — максимальная разность давлений между двумя гранями поршня, а S — сечение.

Цилиндры одностороннего действия имеют только одну камеру, а возврат поршня в исходное положение обеспечивается пружиной. Цилиндры двойного действия имеют две камеры с обеих сторон поршня, которые поочередно поставляются с сжатым воздухом или истощены.

Эти цилиндры позволяют получать высокие скорости перемещения, которые, как требуется, требуют правильной калибровки впускных и выпускных клапанов и подачи сжатого воздуха.

Линейное перемещение может быть преобразовано в ограниченное угловое вращение механическим устройством.

Ротационные лопастные двигатели
Тип пневматического двигателя, известного как двигатель с вращающейся лопастью, использует воздух для создания вращательного движения на валу. Вращающийся элемент представляет собой щелевой ротор, который установлен на приводном валу. Каждый слот ротора оснащен свободно скользящей прямоугольной лопастью. Лопасти выдвигаются на стенки корпуса с использованием пружин, кулачкового действия или давления воздуха, в зависимости от конструкции двигателя. Воздух накачивается через вход двигателя, который толкает лопасти, создавая вращательное движение центрального вала. Скорости вращения могут варьироваться от 100 до 25 000 об / мин в зависимости от нескольких факторов, которые включают в себя количество давления воздуха на входе двигателя и диаметра корпуса.

Эти двигатели могут быть простыми цилиндрами для непосредственного получения вращения оси с ограниченной амплитудой или устройствами, обеспечивающими непрерывное вращение оси, которое может быть заменено на электродвигатели, особенно для приложений, требующих большой гибкости в работе, и особенно высоких крутящий момент при низкой скорости или ноль. Эти двигатели могут быть турбиной или поршнем.

Одно применение для воздушных двигателей с воздушным движением — запуск крупных промышленных дизельных или газовых двигателей. Сохраненная энергия в виде сжатого воздуха, азота или природного газа поступает в герметичную моторную камеру и оказывает давление на лопатки ротора. Это приводит к тому, что ротор вращается с высокой скоростью. Поскольку моторный маховик требует большого крутящего момента для запуска двигателя, используются редукторы. Редукторы обеспечивают высокий крутящий момент при меньшем количестве энергии. Эти редукторы обеспечивают достаточный крутящий момент, создаваемый маховиком двигателя, когда он зацепляется шестерней пневматического двигателя или стартера воздуха.

операция
Работа газораспределительного двигателя соответствует двигателю парового двигателя, оба относятся к поршневым двигателям. Впускной клапан открывается, оставляя газ высокого давления в расширительной камере (цилиндре). После закрытия впускного клапана газ расширяется до конечной точки расширения. Как правило, газ остывает, d. H. его температура падает сама по себе. Температура окружающей среды обычно выше, чем температура газа, и газ может поглощать некоторое количество тепла через стенку лампы, т. Е. Тепловую энергию, что немного увеличивает выход (= механическая энергия на выходное давление x объем газа давления). Газ протекает через выпускной клапан с требуемым остаточным давлением. Двигатель может быть сконструирован как поршневой двигатель с одним или двумя действиями. В диапазоне малой мощности также доступны вращающиеся поршни.

Механическая работа, производимая газораспределительным двигателем, возникает из-за энтальпии, хранящейся в газе в случае адиабатического расширения. При изотермической релаксации высвобождающаяся механическая работа увеличивается вокруг поглощенной эксергии.

Другой способ изменить энтальпию, содержащуюся в сжатом газе, на вращательное движение, которое предлагает лопастной мотор.

С конца 19-го века были построены газовые двигатели, работающие с диоксидом углерода из баллонов давления. С этими так называемыми «углеродными двигателями» были, например, воздушные лестницы, и Отто Лилиенталь экспериментировал с ними как двигатель для своих самолетов.

В качестве регуляторов давления могут использоваться газораспределительные двигатели. Областью применения больших двигателей расширения газа (> 5 кВт) является извлечение энергии при добыче газа из газопроводов.

Наиболее распространенным является использование небольших газовых расширительных двигателей, работающих на сжатом воздухе, которые управляют ручными инструментами. Также относительно распространено использование свободно-поршневых машин, работающих в качестве насоса.

В принципе, пневматический двигатель также может использоваться в качестве источника привода транспортного средства, но в прошлом в него были помещены напорные резервуары с такой энтропией настолько малыми, а общая эффективность была настолько низкой, что использование было неэкономичным. Для торпед воздушные двигатели использовались в течение длительного времени.

Воздушные двигатели использовались и используются в подземной разработке. В суровом, влажно-пыльном климате под землей в замкнутых туннелях, проводники и токоприемники трудно реализовать. Особенно в угольной промышленности происходит выброс горючего метана. Метан и / или угольная пыль образуют взрывоопасные смеси с воздухом, которые должны быть сохранены от искр, когда они происходят в электрических цепях.

С 1990-х годов и до 2002 года были проекты и объявления о том, что должен быть готовый к производству автомобиль с пневматическим приводом, Aircar или пневматический автомобиль. Эти объявления были возобновлены французской фирмой из Люксембурга, объявив, что она намерена производить OneCat с 2009 года. Объявление не было выполнено.

заявка
Широкое применение пневматических двигателей — это ручные инструменты, ударные гайковерты, импульсные инструменты, шуруповерты, гайковерты, сверла, шлифовальные машины, шлифовальные машины и т. Д. Пневматические двигатели также используются стационарно в широком спектре промышленных применений. Хотя общая энергоэффективность пневматического инструмента низкая, и они требуют доступа к источнику сжатого воздуха, есть несколько преимуществ по сравнению с электрическими инструментами. Они обеспечивают большую плотность мощности (меньший пневматический двигатель может обеспечивать такое же количество мощности, как и более крупный электродвигатель), не требуют дополнительного регулятора скорости (добавляя его компактность), выделяют меньше тепла и могут использоваться в более летучих атмосферах поскольку они не требуют электроэнергии и не создают искр. Они могут быть загружены для остановки с полным крутящим моментом без повреждений.

Исторически многие люди пытались применить пневматические двигатели к транспортной отрасли. Гай Негре, генеральный директор и основатель Zero Pollution Motors, впервые начал заниматься этим полем с конца 1980-х годов. Недавно Engineair также разработал роторный двигатель для использования в автомобилях. Engineair немедленно помещает двигатель рядом с колесом транспортного средства и не использует промежуточных частей для передачи движения, что означает, что почти вся энергия двигателя используется для вращения колеса.

История в транспорте
Пневматический двигатель впервые был применен к транспортному средству в середине 19 века. Хотя мало известно о первом записанном пневматическом транспортном средстве, говорят, что французы Андроуд и Тесси Мотей провели 9 июля 1840 года автомобиль, который был оснащен пневматическим двигателем на испытательном треке в Шайло, Франция. Хотя автомобиль тест, как сообщалось, был успешным, пара не исследовала дальнейшее расширение дизайна.

Первым успешным применением пневматического двигателя при транспортировке был воздушный двигатель системы Mekarski, используемый в локомотивах. Инновационный двигатель Mekarski преодолел охлаждение, которое должно сопровождаться расширением воздуха путем нагревания воздуха в маленьком котле до его использования. Трамвай де Нант, расположенный в Нанте, Франция, был отмечен за то, что он первым использовал двигатели Мекарски для управления своим флотом локомотивов. 13 декабря 1879 года трамвай начал свою работу и продолжает функционировать сегодня, хотя в 1917 году были заменены пневматические трамваи более эффективными и современными электрическими трамваями.

Американский Чарльз Ходжес также нашел успех с пневматическими двигателями в локомотивной промышленности. В 1911 году он разработал пневматический локомотив и продал патент Х.К. Porter в Питтсбурге для использования в угольных шахтах. Поскольку пневматические двигатели не используют сжигание, они были гораздо более безопасным вариантом в угольной промышленности.

Многие компании утверждают, что разрабатывают компрессорные автомобили, но ни один из них не доступен для покупки или даже независимого тестирования.

инструменты
Ударные гайковерты, импульсные инструменты, гайковерты, шуруповерты, сверла, шлифовальные машины, шлифовальные станки, шлифовальные станки, зубные сверла и другие пневматические инструменты используют различные воздушные двигатели. К ним относятся лопастные двигатели, турбины и поршневые двигатели.

Торпеды
Наиболее успешные ранние формы самоходных торпед использовали сжатый воздух под высоким давлением, хотя это было заменено двигателями внутреннего или внешнего сгорания, паровыми двигателями или электродвигателями.

Железнодорожные пути
Двигатели сжатого воздуха использовались в трамвае и шунтерах, и в итоге нашли успешную нишу в горных локомотивах, хотя в итоге их заменили электропоездами, подземными. В течение многих лет конструкции увеличивались по сложности, что приводило к созданию трехтактного двигателя с воздухоочистителями между каждой ступенькой. Для получения дополнительной информации см. Беспомощный локомотив и система Мекарски.

Рейс
Транспортные самолеты категории, такие как коммерческие авиалайнеры, используют пускатели сжатого воздуха для запуска основных двигателей. Воздух подается от компрессора нагрузки вспомогательного силового агрегата самолета или наземного оборудования.

Водные ракеты используют сжатый воздух для питания своей струи воды и создания тяги, они используются как игрушки.

Air Hogs, игрушечный бренд, также использует сжатый воздух для питания поршневых двигателей в игрушечных самолетах (и некоторых других игрушечных машинах).

автомобильный
В настоящее время наблюдается некоторый интерес к разработке авиационных автомобилей. Для них было предложено несколько двигателей, хотя ни один из них не продемонстрировал производительность и долгую жизнь, необходимые для личного транспорта.

Energine
Корпорация Energine была южнокорейской компанией, которая заявила, что доставляет полностью собранные автомобили, работающие на гибридном сжатом воздухе и электрическом двигателе. Сжиженный двигатель используется для активации генератора переменного тока, который расширяет автономную рабочую мощность автомобиля. Генеральный директор был арестован за мошенничество в продвижении воздушных двигателей с ложными утверждениями.

EngineAir
MotorAir, австралийская компания, производит роторный двигатель, работающий на сжатом воздухе под названием The Di Pietro motor. Концепция двигателя Di Pietro основана на роторном поршне. В отличие от существующих роторных двигателей, двигатель Ди Пьетро использует простой цилиндрический роторный поршень (привод вала), который катится с небольшим трением внутри цилиндрического статора.

Его можно использовать в лодках, автомобилях, грузовиках и других транспортных средствах. Для преодоления трения требуется только 1 psi (≈ 6,8 кПа) давления. Двигатель был также показан в программе ABC New Inventors в Австралии 24 марта 2004 года.

K’Airmobiles
Автомобили K’Airmobiles предназначались для коммерциализации из проекта, разработанного во Франции в 2006-2007 годах небольшой группой исследователей. Однако проект не смог собрать необходимые средства.

Люди должны отметить, что, тем временем, команда признала физическую невозможность использования встроенного сжатого воздуха на борту из-за его плохой энергетической емкости и тепловых потерь, вызванных расширением газа.

В эти дни, используя запатентованный «K’Air Generator», преобразованный в работу в качестве двигателя сжиженного газа, проект должен быть запущен в 2010 году благодаря североамериканской группе инвесторов, но с целью разработки сначала зеленого энергетическая энергетическая система.

MDI
В оригинальном воздушном двигателе Nègre один поршень сжимает воздух из атмосферы для смешивания с сохраненным сжатым воздухом (который резко охлаждается по мере его расширения). Эта смесь управляет вторым поршнем, обеспечивая фактическую мощность двигателя. Двигатель MDI работает с постоянным крутящим моментом, и единственный способ изменить крутящий момент на колеса — использовать передачу шкива с постоянным изменением, теряя некоторую эффективность. Когда автомобиль остановлен, двигатель MDI должен был работать и работать, теряя энергию. В 2001-2004 годах MDI переключился на дизайн, аналогичный описанному в патентах Regusci (см. Ниже), которые относятся к 1990 году.

В 2008 году сообщалось, что индийский производитель автомобилей Tata рассматривал двигатель сжатого воздуха MDI как вариант на своих недорогих автомобилях Nano. Tata объявила в 2009 году, что автомобиль с пневматическим двигателем оказался трудноразвивающимся из-за его низкого диапазона и проблем с низкой температурой двигателя.

квазитурбинного
Пневматический квазитурбинный двигатель представляет собой бесколлекторный роторный двигатель сжатого воздуха с использованием ромбовидного ротора, стороны которого шарнирно соединены с вершинами.

Quasiturbine продемонстрировал как пневматический двигатель, используя запасенный сжатый воздух

Он также может воспользоваться преимуществами усиления энергии, которые можно использовать при использовании доступного внешнего тепла, такого как солнечная энергия.

Квазитурбина вращается от давления до 0,1 атм (1,47 фунта на квадратный дюйм).

Так как Quasiturbine — это двигатель с чистым расширением, в то время как у Ванкеля и большинства других роторных двигателей нет, он хорошо подходит как сжатый жидкостный двигатель, воздушный двигатель или воздушный двигатель.

Regusci
Версия авиационного двигателя Armando Regusci соединяет трансмиссию непосредственно с колесом и имеет переменный крутящий момент от нуля до максимума, повышая эффективность. Патенты Regusci датируются 1990 годом.

Командный психо-активный
Psycho-Active разрабатывает многотопливное / воздушно-гибридное шасси, которое призвано служить основой для линии автомобилей. Заявленная производительность составляет 50 л.с. / литр. Двигатель сжатого воздуха, который они используют, называется двигателем DBRE или Ducted Blade Rotary Engine.

Конструкции неработающих воздушных двигателей

Конжекторный двигатель
Мильтон М. Конгер в 1881 году запатентовал и предположительно построил двигатель, который убегал от сжатого воздуха или пара, используя гибкую трубку, которая образует клиновидную или наклонную стенку или абатмент в задней части тангенциального подшипника колеса и продвигает его с большей или меньшей скоростью в соответствии с давлением движущей среды.