压缩空气载具

压缩空气载具(Compressed-air vehicle CAV)是由加压气氛气体罐驱动的输送机构,并且由气动马达内的气体的释放和膨胀推动。 CAV已经应用于鱼雷,用于挖掘隧道的机车和早期原型潜艇。潜在的环境优势已经引起公众对CAV作为乘用车的兴趣,但由于压缩空气的低能量密度和压缩/膨胀过程的低效率,它们没有竞争力。

压缩空气推进也可以结合在混合动力系统中,例如电池推进。这种系统称为混合气动电动推进系统。另外,再生制动也可以与该系统结合使用。

历史
使用压缩空气作为载具的驱动力可以追溯到铁路和机械牵引电车的发展,在某些情况下,例如采矿和城市网络,有必要避免火灾和固有污染的风险。普通蒸汽机车。

美国的Tomlinson(1820年)或法国的Andraud(1830年)的第一个系统都是失败的,因为压缩空气沿着轨道在管道中循环,机车必须配备连续连接。 (通过类似于航空母舰的弹射器的装置)导致泄漏和性能不佳。

由Antoine Andraud和Cyprien Tessie du Motay于1840年在巴黎设计的新系统,该机车配备了一个在网络的某些点填充的油箱,证明了该系统的可行性。

压缩空气轨道车辆的第一个实际应用可以追溯到铁路隧道(1872年)的突破,特别是瑞士的圣哥达隧道和一些电车轨道实验。但是,通过压缩空气的膨胀使发动机气缸冷却,使发动机空气的湿度变成冰晶,导致堵塞。

正是工程师路易斯·梅卡尔斯基(Louis Mekarski)完善了该系统,将压缩空气和压力下的过热水结合起来,并使其完全投入运行,以便配备电车网络。它首先在1876年至1879年的巴黎有轨电车上进行了测试。

然后它被用于Île-de-France网络的几条线路:Nogentan铁路,Sèvres电车到凡尔赛,Saint-Maur-des-Fossés电车公司和1894年至1914年的CompagnieGénéraledesOmnibus的巴黎网络。

从1879年开始,南特有轨电车的整个网络逐渐配备了90多台压缩空气飞行器,直到1917年才令人满意。从1890年开始,其他城市都配备了像Berne(1890年),Vichy(1895年),Aix-les-的Mekarski电车。 Bains(1896),Saint-Quentin(1899)和La Rochelle(1901)。 Mekarski机车也在Arpajonnais的巴黎部分服役,用于1895年至1901年的Halles de Paris的“静音”服务。

纽约的一个轻轨项目是使用压缩空气和过热水机车。发动机继续进行再生制动,给压缩空气罐充气并加热水箱。

从1896年开始,匹兹堡的香港搬运公司投放了Charles B. Hodges发明的压缩空气机车市场。双和三膨胀发动机(高压和低压气缸)由大气热交换器补充。由第一次膨胀冷却的压缩空气被环境空气加热,使得过热水装置变得不必要并且大大提高了整体效率。直到20世纪30年代,数以千计的波特机车在美国东部为煤矿提供动力。世界上其他制造商已经为不能容忍烟雾或灰尘的行业生产类似的矿山和工厂机器。该范围增加,可以建造具有非常高压力(高达250巴)的储气罐。直到20世纪50年代,这些机器才被超低排放燃气发动机和改进的蓄电池的开发所取代。

汽车的实施也是一些成就的主题。污染比电动汽车(污染其电池组件污染)少,但也受到有限自治的影响,这个概念似乎被遗忘了“生态”世界,并没有受益于任何大工业家的推广和它的发展。然而,有几家公司正致力于为汽车应用压缩空气马达。

2012年5月7日,制造非常紧凑的低成本汽车的印度公司塔塔汽车宣布已成功通过与MDI公司的合作,对原型的使用测试,并开始建立该过程的阶段。制造这种车辆。

理论
根据波义耳定律,

对于固定温度下的固定质量的理想气体,压力的大小与体积的大小产生恒定。

Robert Boyle和Edme Mariotte
因此,在相同的温度下:

压力乘以罐中所含气体的体积相当于一个常数;
气体压力的变化与其体积成反比。
如果改变压力或体积这两者中的任何一个,则可以修改因子T.这让我们了解了热力学的概念,即压缩空气的绝热膨胀。

压力和体积的变化越快越残酷,气体就能在更短的时间内满足这个常数,并反映出这种温度转换的一部分。

这就是为什么在系统中使用压缩空气的方法解释为什么压缩空气马达有两个主要趋势,概念上不同:

热力学开发
在大量压缩空气快速膨胀时,对应于压力的显着降低,气体在物理上不可能恢复其初始体积。随后的温度变化产生显着的冷却,而有用体积的膨胀可以限制在理论体积的约40%。相反,通过压缩,体积减小通常涉及温度升高,再次导致压缩空气的总体积低于其理论值。

MDI,Energine和Quasiturbine开发的技术在利用发动机动画时需要相对重要的流量,但必须受到热力学限制的约束。

剥削动力
为了在避免这种障碍的同时产生机械推力,或者至少在减少其影响的同时,必须遵守某些规则:允许尽可能慢地扩展,即在使用低电流时(但是,当然,就电动机功率的限制而言,意味着负面的对应物),当太重要时(通过使用减压器和其他减压中间体启用)来调节压力的突然变化,维持,以及可能的恒定温度的气体,如果不是甚至不能提高空气效用的冷却/加热的压缩/膨胀性能。

技术
压缩空气马达和压缩空气罐是气动系统的特殊情况,其使用相应物品中提出的可压缩气体的热力学原理。

气动,电气和热力比较
与电动机或内燃机相比,气动马达具有一定的优点,但也适用于汽车运输的重要性:

关于能量的积累
制造压缩空气储存器的成本低于蓄电池的成本,但高于燃料箱的成本;
复合空气罐比蓄电池重得多,但不仅仅是一个油箱;
制造空气罐的能源(碳纤维)价格昂贵,但不包括高污染金属(与许多类型的蓄电池不同);
压缩空气罐磨损很小,可以承受超过10,000次的充电和放电循环,使其几乎无限的使用寿命;
压缩空气罐的再循环比蓄电池更容易;
对于移动使用,与车辆的使用重量相比,在车辆使用期间携带的空气质量减少,就像燃料一样;
但是,压缩空气的能量含量很低;例如,300 bar时300升的体积只能提供14.3 kWh的理论最大值,实际上,绝热膨胀时该数值减少到约7 kWh,这与真实气动马达的性能相近;
蓄电池的充电和放电可以在接近90%的能量效率下进行,与电动机的效率相关,在90%和96%之间,这提供了大约70%的总效率。 75%;
当空气罐排空时,压力下降,导致可用功率下降,或者如果使用调节器调节压力,效率会降低;
必须完全去除压缩空气的湿度以防止在发动机膨胀期间形成冰:在压缩之前除去水,或者在膨胀期间加压压缩空气,产生显着的额外能量损失;
充电是静音而空气压缩不是。

关于引擎
气动马达可以低速运转(根据立方容量每分钟100至2000转);
它在发动机转速范围内提供大而几乎恒定的扭矩;
它可以为车辆提供冷量;另一方面,在没有内燃机的热损失的情况下,需要提供额外的热量来加热车辆;
具有相同功率(约7kW)的传统热力发动机使得压缩空气马达具有可比较的或甚至更小的尺寸和重量(参见用于模型飞机的推进发动机等)。

关于商业可行性
尽管经过了几十年的发展,压缩空气飞行器仍未能实现商业化;另一方面,许多制造商已经向市场推出了不同型号的电动汽车,其全球销量稳步增长;
压缩飞行器制造商宣布的表演从未经过独立验证,因此可以提出质疑。
与内燃机相比,气动和电气系统都具有低自主性的缺点,对于像20世纪早期的有轨电车这样的车辆来说是可以接受的,其频繁的停靠和固定路线允许快速充气,但与目前的使用不太相容。特定的车辆。然而,使用最先进的技术(碳纤维空气罐)可以通过减轻车辆来帮助减少这种缺点(参见“自治”一章和估算空气中能量的方法)。文章气动能源)。

气罐
罐的设计必须符合适用于压力容器的安全标准,例如ISO 11439。

储罐可以由金属或复合材料制成。纤维材料比金属轻得多但通常更贵。金属罐可以承受大量的压力循环,但必须定期检查腐蚀情况。

一家公司将空气储存在每平方英寸4,500磅(约30兆帕)的罐中,并容纳近3,200立方英尺(约90立方米)的空气。

罐可以在配备有热交换器的服务站处重新填充,或者在家中或在停车场中的几个小时内,通过机载压缩机将汽车插入电网中。驾驶这种汽车的成本通常预计为每100公里0.75欧元左右,“坦克站”的完全补充价格约为3美元。

压缩的空气
压缩空气具有低能量密度。在300巴的容器中,可实现约0.1MJ / L和0.1MJ / kg,与电化学铅酸电池的值相当。虽然电池在整个放电过程中可以稍微保持其电压,并且化学燃料箱提供从第一升到最后升的相同功率密度,但压缩空气罐的压力随着空气的抽出而下降。传统尺寸和形状的消费者 – 汽车通常在每英里使用的驱动轴上消耗0.3-0.5kWh(1.1-1.8MJ),尽管非常规尺寸可以以显着更小的速度执行。

排放输出
与其他非燃烧能量存储技术一样,飞行器将排放源从车辆尾管排放到中央发电厂。在有低排放源的地方,可以减少污染物的净产量。中央发电厂的排放控制措施可能比处理广泛分散的车辆的排放更有效且成本更低。

由于压缩空气被过滤以保护压缩机机械,所排出的空气中悬浮的灰尘较少,尽管可能存在发动机中使用的润滑剂的残留物。气体膨胀时汽车可以工作。

好处
压缩空气车辆在许多方面与电动车辆相当,但使用压缩空气来储存能量而不是电池。它们优于其他车辆的潜在优势包括:

与电动车辆非常相似,空气动力车辆最终将通过电网供电。这使得更容易专注于减少来自一个来源的污染,而不是道路上的数百万辆车。
由于从电网汲取电力,不需要运输燃料。这带来了显着的成本效益。燃料运输过程中产生的污染将被消除。
压缩空气技术可将车辆生产成本降低约20%,因为无需构建冷却系统,油箱,点火系统或消音器。
发动机的尺寸可以大大减小。
发动机在冷空气或暖空气下运行,因此可以由较低强度的轻质材料制成,例如铝,塑料,低摩擦聚四氟乙烯或其组合。
制造和维护成本低,易于维护。
压缩空气罐可以比电池更少的污染处理或回收。
压缩空气飞行器不受与当前电池系统相关的退化问题的限制。
与可以再充电的电池相比,空气罐可以更频繁地再填充并且在更短的时间内,其再填充率与液体燃料相当。
较轻的车辆对道路造成的损害较小,从而降低了维护成本。
填充空气动力车辆的价格明显低于汽油,柴油或生物燃料。如果电力便宜,那么压缩空气也会相对便宜。

缺点
主要缺点是间接使用能源。能量用于压缩空气,而空气又提供运行电动机的能量。表格之间的任何能量转换都会导致损失。对于传统的内燃机动车,当油转换为可用燃料时能量会消失 – 包括钻井,精炼,劳动力,储存,最终运输到最终用户。对于压缩空气汽车,当电能转换为压缩空气时,以及当燃料(无论是煤,天然气还是核燃料)被燃烧以驱动发电机时,能量损失。

当空气膨胀时,就像在发动机中一样,它会急剧冷却(Charles’s定律),并且必须使用类似于用于内燃机的中间冷却器的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。虽然它对中冷器执行类似的任务,但进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。
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,而加油站的专用设备可能只需3分钟即可填满油箱。
快速充满时,坦克会变得很热。 SCUBA坦克有时会浸入水中,以便在填充时冷却它们。对于汽车中的油箱而言,这是不可能的,因此需要花费很长时间来装满油箱,否则它们将需要少于完全充电,因为热量会增加压力。但是,如果隔热良好,例如杜瓦(真空)烧瓶设计,则不必丢失热量,而是在汽车运行时投入使用。
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(4英里)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最近宣称,在城市驾驶中,一辆飞行器将能够行驶140公里(87英里),并且在高速公路上的最高时速为110公里/小时(68英里/小时),行驶距离为80公里(50英里),当仅使用压缩空气时。
可能的改进
压缩空气车辆根据热力学过程运行,因为空气在膨胀时冷却,在压缩时加热。由于使用理论上理想的方法是不实际的,因此发生损失并且改进可能涉及减少这些损失,例如通过使用大型热交换器以便使用来自环境空气的热量并同时在乘客舱中提供空气冷却。另一方面,压缩过程中产生的热量可以储存在水系统,物理或化学系统中,以后再使用。

可以使用罐内的吸收材料在较低压力下存储压缩空气。吸收材料如活性炭或金属有机骨架用于储存压缩天然气,压力为500 psi而不是4500 psi,这相当于节省了大量能源。

汽车

量产车
一些公司正在调查和生产原型,包括混合压缩空气/汽油燃烧车辆。截至2017年8月,虽然Tata表示他们将从2020年开始销售汽车,但MDI的美国经销商Zero Pollution Motors表示他们将于2018年在欧洲开始生产AIRPod,但尚未开始生产。

实验车和自行车
2008年,由澳大利亚迪肯大学的工程专业学生设计的压缩空气和天然气动力汽车是福特汽车公司T2竞赛的联合赢家,该竞赛产生的车辆行驶200公里,成本低于7,000美元。

澳大利亚公司Engineair在Angelo Di Pietro创造的旋转式压缩空气发动机周围生产了多种车型 – 轻便摩托车,小型车,小型车,推车。该公司正在寻求合作伙伴利用其发动机。

一辆名为Green Speed Air Powered Motorcycle的压缩空气动力摩托车由Edwin Yi Yuan制造,基于Suzuki GP100并使用Angelo Di Pietro压缩空气发动机。

三所圣何塞州立大学的机械工程专业学生; Daniel Mekis,Dennis Schaaf和Andrew Merovich设计并制造了一辆使用压缩空气的自行车。该原型的总成本低于1000美元,由Sunshops(位于加利福尼亚州Santa Cruz的Boardwalk)和NO DIG NO RIDE(来自加利福尼亚州Aptos)赞助。 2009年5月首航的最高速度为23英里/小时虽然他们的设计很简单,但这三位压缩空气动力汽车的先驱为法国汽车制造商标致Citreon发明了一种全新的气动混合动力车铺平了道路。 “混合空气”系统在43英里/小时的行驶速度下使用压缩空气来移动汽车的车轮。标致称,新的混合动力系统每加仑汽油应达到141英里。模型应该最早在2016年推出。该项目的负责人在2014年离开标致,并在2015年公司表示,它无法找到合作伙伴分担开发成本,有效地结束了项目。

“Ku:Rin”这款名为空气压缩的三轮车是由丰田于2011年创造的。该车的特点是它已经创下了创纪录的最高时速129.2 km / h(80 mph),即使它有引擎使用只有压缩空气。这辆车是由“梦车车间”公司开发的。这辆车的绰号是“光滑的火箭”或“铅笔形火箭”。

作为电视节目Planet Mechanics的一部分,Jem Stansfield和Dick Strawbridge将常规踏板车改装成压缩空气轻便摩托车。这是通过为踏板车配备压缩空气发动机和空气罐来完成的。

2010年,本田在洛杉矶车展上展出了本田Air概念车。

火车,有轨电车,小船和飞机
压缩空气机车是一种无火机车,已用于采矿和隧道掘进。

从1876年开始,对各种压缩空气动力电车进行了试验。在南特和巴黎,这些电车在常规服务中运行了30年。

目前,没有使用压缩空气发动机的水或空气车辆。历史上,某些鱼雷是由压缩空气发动机推动的。