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压缩空气车

压缩空气车(Compressed air car)是使用由压缩空气驱动的马达的压缩空气车辆。 汽车可以仅通过空气驱动,或者与汽油,柴油,乙醇或具有再生制动的电厂组合(如在混合动力电动车辆中)。

概观
固定式气动马达可以在各种机器和工具中找到。

具有压缩空气驱动的各种利基应用,例如伯尔尼的电车和空气动力机车,例如。 B.在建造圣哥达隧道或矿用机车时,已经实现了过去。 现在,许多这些特殊应用已经被更简单且无排放的电驱动系统所取代。

工业存储蒸汽机车具有类似的概念和技术。

历史
早在1838年,Adraud和TessiéduMotay就在巴黎建造了一辆气动汽车,并于1840年展出。在铁路运输中,这种类型的驱动器于1879年首次在南特的电车上使用(法国)。 该系统由法国波兰血统的LouisMékarski工程师开发。
位于纽黑文(康涅狄格州)的美国制造商MacKenzie&McArthur和位于康涅狄格州哈特福德的Autocrat制造公司负责处理压缩空气汽车。 American Pneumatic这个名称应该带有压缩空气动力汽车,其规划于1900年2月由美国汽车公司宣布。 根据早期的美国贸易杂志“The Hub”于1899年在特拉华州,美国汽车公司拥有2500万美元的巨额股本,也未上市销售自动空气,Carrol,Meyers,Muir和Pneumatic等品牌的飞机。为了“开发Stackpole和Francesco的发明以及生产带压缩空气驱动的中型汽车”。 该公司于1900年被提及地址为1129 Broadway,出现在Hiscox的无马车,汽车和摩托车一书中,并且仍然在1911年在纽约市注册,总部设在百老汇52号。 这笔庞大的资本投资最终取得的成就尚不清楚。

属性
压缩空气驱动器在没有燃烧过程的情况下运行,并且没有火花的风险,因为它存在于电气系统中。 因此,它非常适用于爆炸性环境。 B.在地下采矿。

另一方面,有一些限制反对将其用作大众运输工具。 为了携带足够的驱动能量,需要大(重)压缩空气罐。 与简单的铅酸电池相比,驱动系统的能量密度已经不利。

压缩空气是最昂贵的能源之一。 他们的生产在很大程度上受到巨大损失的影响。 如果不能使用压缩过程中产生的热量,则会损失能量平衡。 高效的压缩空气马达需要具有中间加热的多级膨胀,因此是昂贵的(发动机概念)。 通过放松压缩空气,发动机会冷却。 必须从环境中提供热量。 如果不能充分确保,则扩展引擎的性能会降低。 在低环境温度下,这种效果得到增强。

技术

引擎
压缩空气车由由压缩空气驱动的电动机提供动力,压缩空气存储在高压下,例如31MPa(4500psi或310bar)的罐中。 压缩空气车不是用点燃的燃料 – 空气混合物驱动发动机活塞,而是使用压缩空气的膨胀,其方式类似于蒸汽发动机中蒸汽的膨胀。

自20世纪20年代以来,已经有原型车,其中压缩空气用于鱼雷推进。

储油罐
与氢气在高冲击性碰撞中遇到的损坏和危险问题形成鲜明对比的是,空气本身并不易燃,据Seven Network公司的Beyond Tomorrow报道,它本身的碳纤维很脆,可以在足够的压力下分裂,但是当它这样做时不会产生弹片。 碳纤维储罐安全地将空气保持在4500 psi左右的压力下,使其与钢罐相当。 这些汽车设计用于在高压泵中填充。

在压缩空气飞行器中,坦克设计倾向于等温; 某种热交换器用于在提取空气时保持罐的温度(和压力)。

能量密度
压缩空气具有相对低的能量密度。 30MPa(4,500psi)的空气每升含有约50Wh的能量(通常每升重372g)。 相比之下,铅酸电池含有60-75 Wh / l。 锂离子电池含有约250-620 Wh / l。 美国环保署估计汽油的能量密度为8,890 Wh / l; 然而,具有18%效率的典型汽油发动机只能恢复相当于1694 Wh / l。 如果在膨胀之前加热空气,则压缩空气系统的能量密度可以增加一倍以上。

为了增加能量密度,一些系统可以使用可以液化或固化的气体。 “当气体从气态转变为超临界状态时,二氧化碳可提供比空气更大的压缩性。”

排放
压缩空气车可以在排气装置处无排放。 由于压缩空气汽车的能源通常是电力,因此其总体环境影响取决于电力来源的清洁程度。 然而,大多数飞行汽车具有用于不同任务的汽油发动机。 排放量可以与丰田普锐斯生产的二氧化碳量的一半相比(每英里约0.34磅)。 一些发动机可以加油,否则考虑到不同的区域可以具有非常不同的动力源,从诸如煤的高排放动力源到零排放动力源。 给定区域也可以随时间改变其电源,从而改善或恶化总排放。

然而,2009年的一项研究表明,即使有非常乐观的假设,能源的空气储存也不如化学(电池)储存。

好处
空气动力发动机的主要优点是

它不使用汽油或其他生物碳基燃料。
可以在家中进行加油,但是将油箱充满压力需要250-300巴的压缩机,考虑到这些压力水平固有的危险,这些压缩机通常不能用于家庭标准使用。 与汽油一样,加油站必须安装必要的空气设施,如果这些汽车足够受欢迎以保证它。
压缩空气发动机降低了车辆生产成本,因为不需要建造冷却系统,火花塞,起动马达或消声器。
自放电率非常低,与电池随时间缓慢耗尽电荷相反。 因此,车辆可能比电动车长时间不使用。
压缩空气的膨胀会降低其温度; 这可以被用作空调。
减少或消除有害化学物质,如汽油或电池酸/金属
一些机械配置可以通过压缩和存储空气在制动期间允许能量回收。
瑞典隆德大学报告称,使用空气混合动力系统,公交车的燃油效率可提高60%。 但这仅涉及混合空气概念(由于制动期间的能量回收),而不是压缩空气专用车辆。

缺点
主要的缺点是能量转换和传输的步骤,因为每个都有固有的损失。 对于内燃机汽车,当化石燃料中的化学能被发动机转换成机械能时,能量损失。 对于电动汽车,发电厂的电力(来自任何来源)被传输到汽车的电池,然后电池将电力传输到汽车的电动机,电动机将其转换为机械能。 对于压缩空气汽车,发电厂的电力传输到压缩机,压缩机将空气机械压缩到汽车油箱中。 然后汽车的发动机将压缩空气转换为机械能。

其他问题:

当空气在发动机中膨胀时,它会急剧冷却,并且必须使用热交换器加热到环境温度。 加热是必要的,以便获得理论能量输出的显着部分。 热交换器可能存在问题:虽然它执行与内燃机的中间冷却器类似的任务,但是进入的空气和工作气体之间的温差较小。 在加热储存的空气时,设备变得非常冷,并且可能在凉爽潮湿的气候中结冰。

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这也导致必须使压缩空气完全脱水。 如果压缩空气中存在任何湿气,发动机将因内部结冰而停止。 完全去除湿度需要额外的能量,这些能量不能重复使用而且会丢失。 (在夏季每立方米空气中含10克水 – 典型值 – 你必须在90立方米内取出900克水;汽化焓为2.26兆焦耳/千克,理论上你需要的最低功率为0.6千瓦时;技术上,冷干燥这个数字必须乘以3-4。而且,只能用专业压缩机进行脱水,这样家庭充电完全不可能,或者至少不能以任何合理的成本完成。)
相反,当空气被压缩以填充罐时,其温度升高。 如果在储罐充满时储存的空气没有被冷却,那么当空气随后冷却时,其压力降低并且可用能量降低。

为了减轻这种影响,罐可以配备内部热交换器,以便在充电时快速有效地冷却空气。
或者,弹簧可以用于在空气插入罐中时从空气中存储工作,从而保持罐和充电器之间的低压差,这导致转移的空气的温度升高。

使用家用或低端传统空气压缩机给压缩空气容器加油可能需要长达4个小时,尽管加油站的专用设备可能仅需3分钟即可填满油箱。 要在300升水箱中储存2.5千瓦时@ 300巴(100立方米空气@ 1巴),需要大约30千瓦时的压缩机能量(使用单级绝热压缩机),或约。 21 kWh,带工业标准多级装置。 这意味着需要360 kW的压缩机功率来在5分钟内从单级单元填充储存器,或者对于多级单元填充250 kW。 然而,如果安装了足够大的热交换器,则中间冷却和等温压缩比绝热压缩更有效且更实用。 也许可以实现高达65%的效率(而大型工业压缩机的电流效率最高可达50%),但这低于库仑对铅酸电池的效率。

使用上述加油数字的使用压缩空气能量存储的车辆的总效率约为5-7%。 相比之下,传统内燃动力传动系统的车轮效率约为14%,

早期的测试表明,坦克的存储容量有限; 唯一公布的仅在压缩空气中运行的车辆测试被限制在7.22公里的范围内。

2005年的一项研究表明,使用锂离子电池运行的汽车在相同速度下的压缩空气和燃料电池汽车的性能均超过三倍。 MDI在2007年声称,在城市驾驶中,一辆飞行器可以行驶140公里,在高速公路上行驶时最高时速可达110公里/小时(68英里/小时),但仅使用压缩空气2017年8月尚未生产出符合此性能的车辆。

2009年伯克利大学研究信函发现,“即使在非常乐观的假设下,压缩空气汽车的效率也明显低于电池电动汽车,并且产生的温室气体排放量高于使用煤炭密集型动力混合燃料的传统燃气动力汽车。” 然而,他们还提出,“气动燃烧混合动力技术可行,价格低廉,最终可能与混合动力汽车竞争。”

它通常伴随着一个小型汽油发动机,可以帮助它完成各种任务,如启动和保持工作速度。 该发动机排出二氧化碳。

碰撞安全
尚未核实严重碰撞中轻型车辆空气罐的安全声明。 北美的碰撞测试尚未进行,怀疑论者质疑超轻型汽车与粘合剂组装的能力,以产生可接受的碰撞安全性结果。 MDI副总裁兼零污染汽车公司首席执行官Shiva Vencat声称该车辆将通过碰撞测试并符合美国安全标准。 他坚持认为,投入AirCar的数百万美元不会白费。 到目前为止,从未有过一辆轻型,100多英里/加仑的汽车通过北美碰撞测试。 技术进步可能很快使这成为可能,但AirCar尚未证明自己,并且碰撞安全问题仍然存在。

在实际可行的情况下,使用飞行汽车实现可接受范围的关键是降低驾驶汽车所需的动力。 这推动了设计最小化重量。

根据美国政府国家公路交通安全管理局的一份报告,在10种不同类型的乘用车中,“非常小型车”的每英里驾驶死亡率最高。 例如,每年驾驶12,000英里55年的人将有1%的机会参与致命事故。 这是最安全的车辆类别“大型车”的死亡率的两倍。 根据本报告中的数据,每英里致命碰撞的数量仅与车辆重量微弱相关,相关系数仅为(-0.45)。 与同类车辆的尺寸有较强的相关性; 例如,“大型”汽车,皮卡和SUV的死亡率低于“小型”汽车,皮卡和SUV。 10个等级中的7个就是这种情况,中型车除外,其中小型货车和中型车是最安全的车型,而中型SUV是继小型车之后的第二大致命车型。 尽管较重的车辆有时在统计上更安全,但不一定是额外的重量导致它们更安全。 美国国家公路交通安全管理局的报告指出:“历史上较重的车辆在碰撞时会更好地缓解乘员。他们的长罩和乘员舱的额外空间为车辆和车内乘客提供了更加缓慢的减速机会。 ..虽然可以想象轻型车辆可以使用类似的长罩和轻微的减速脉冲来制造,但可能需要对材料和设计进行重大改变和/或减轻其发动机,配件等的重量。“

飞行器可以使用低滚动阻力轮胎,其通常比普通轮胎提供更少的抓地力。 此外,安全气囊,ABS和ESC等安全系统的重量(和价格)可能会阻碍制造商将其包括在内。

开发人员和制造商
各公司正在投资压缩空气车的研究,开发和部署。 关于即将开始生产的过度乐观报告至少可以追溯到1999年5月。例如,MDI Air Car于2002年在南非公开亮相,预计将于2004年1月“在六个月内”投入生产。截至2009年1月,这款飞机从未在南非投入生产。 大多数正在开发的汽车也依赖于使用类似技术的低能耗汽车,以增加汽车的行驶里程和性能。[需要澄清]

MDI
MDI提出了一系列由AIRPod,OneFlowAir,CityFlowAir,MiniFlowAir和MultiFlowAir组成的车辆。 该公司的主要创新之一是其“活动室”的实施,这是一个加热空气(通过使用燃料)的隔间,以使能量输出加倍。 这种“创新”在1904年首次用于鱼雷。

塔塔汽车公司
截至2009年1月,印度塔塔汽车公司计划于2011年推出一款带有MDI压缩空气发动机的汽车。2009年12月,塔塔工程系统副总裁证实,有限的范围和低发动机温度造成了问题。

塔塔汽车于2012年5月宣布,他们已经评估了第一阶段的设计,即“技术概念的证明”,以实现印度市场的全面生产。 塔塔已进入第2阶段,“完成压缩空气发动机在特定车辆和固定应用中的详细开发”。

2017年2月,塔塔公司高级和产品工程总裁兼负责人蒂姆·莱弗顿博士表示,到2020年首批车辆将开始“工业化”。其他报告显示,塔塔也在考虑恢复计划。 Tata Nano的压缩空气版本,之前一直在考虑与MDI合作。

Engineair
Engineair是一家澳大利亚公司,使用由Angelo Di Pietro设计的创新型旋转空气发动机生产各种原型小型车的原型。 该公司正在寻求商业合作伙伴来使用其发动机。

标致/雪铁龙
标致和雪铁龙宣布,他们打算建造一种使用压缩空气作为能源的汽车。 然而,他们正在设计的汽车使用混合动力系统,该系统还使用汽油发动机(用于推动汽车超过70公里/小时,或压缩空气罐已经耗尽)。 2015年1月,“法国令人失望的消息:PSA标致雪铁龙无限期地发展其有前景的混合动力空气动力系统,显然是因为该公司未能找到愿意分摊巨额成本的开发合作伙伴设计系统。“ 该系统的开发成本估计为5亿欧元,显然需要每年安装到约50万辆汽车才有意义。 该项目负责人于2014年离开了标致。

APUQ
APUQ(Quasiturbine促进协会)制造了APUQ Air Car,一辆由Quasiturbine提供动力的汽车。

批评
在加利福尼亚大学伯克利分校的一项研究中,汽油车,电池电动汽车和气动汽车在温室气体排放,燃料成本,一次能源消耗和与加利福尼亚州相关的储罐容量方面进行了比较。 比较对象是传统的Smart Fortwo,电池电动Smart Fortwo ED和假想的气动汽车。 压缩空气飞行器的技术参数(如果未知)是乐观估计的。 就温室气体排放,燃料成本和油箱容积而言,加州空气动力汽车的性能明显低于汽油或电瓶车。 只有在一次能源消耗方面,才有优于汽油车的优势,但仅限于使用可再生能源。 在所有方面,电池车的性能明显优于压缩空气车。

目前和前任业务合作伙伴目前正在对MDI进行进一步批评,主要是承诺从未进行过的承诺服务和技术转让。

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