Транспортные средства на сжатом воздухе

Транспортные средства на сжатом воздухе приводятся в движение пневмодвигателями, использующими воздух, к примеру, сжатый воздух, запасённый в баллонах. Такой привод называется пневматическим. Вместо смеси топлива с воздухом и её сжигания в двигателе, и последующей передачи энергии поршням от горячих расширяющихся газов, в транспортных средствах на сжатом воздухе передача энергии поршням осуществляется от сжатого воздуха.

Системы привода транспортных средств, работающие на сжатом воздухе, могут также входить в состав гибридных систем, то есть систем, включающих также электрические батареи и топливные баки для их перезарядки.

Типичные двигатели, работающие на сжатом воздухе (пневмодвигатели), используют один или несколько поршней. Пневмодвигатели принципиально по конструкции очень похожи на гидродвигатели. В некоторых случаях целесообразно нагревать воздух или двигатель для повышения отдачи энергии. Особенно это актуально с учётом того, что расширяющийся в пневмодвигателях воздух охлаждается.

Баллоны для хранения сжатого воздуха должны быть разработаны в соответствии со стандартами безопасности для сосудов, работающих под давлением. Примером такого стандарта является ISO 11439^[1].

Баллоны могут быть изготовлены из следующих материалов:

• сталь,
• алюминий,
• углепластик,
• кевлар,
• другие материалы, или сочетание указанных выше.

Материалы на базе пластика легче металлических, но в целом они дороже. Металлические баллоны могут выдерживать большое количество циклов нагружения-разгрузки, но их необходимо периодически проверять на наличие коррозии.

Одна из компаний использует баллоны, рассчитанные на давление 30 МПа^[2].

Баллоны описываемых транспортных средств необходимо заправлять на специальных заправочных станциях, имеющих необходимое оборудование. Затраты на вождение подобных воздухомобилей, как обычно предполагается, должны составлять порядка €0,75 на 100 км, при полной перезарядке баллонов на «баллонной станции» — около US$^[]3.

Сжатый воздух имеет низкую энергетическую плотность. При давлении 300 бар, энергетическая плотность может достигать около 0,1 МДж/литр (с учётом возможности нагрева воздуха), что сравнимо с ёмкостью электрохимических свинцовых аккумуляторных батарей. Однако по мере разряжения батарей напряжение на их выходах падает относительно не сильно; в автомобилях на химическом топливе обеспечивается постоянная мощность на выходе от первого до последнего литра этого топлива. В то же время, давление на выходе из баллонов падает по мере расходования воздуха. Газ в баллоне акваланга может быть сжат до 1000 Бар(100МПа), однако сейчас такие баллоны дороги и имеют малый объем.

Автомобиль обычного размера и формы потребляет на ведущем валу около 0,6—1,0 МДж на 1 км пути^[3], хотя совершенствование формы может привести к уменьшению этого числа.

Как и другие технологии, не использующие сжигание топлива, использование транспортных средств на сжатом воздухе позволяет избавиться от выбросов на дорогах через выхлопные трубы, и переместить их на централизованные электростанции, что облегчает процесс утилизации этих выбросов. Однако в сжатый воздух таких транспортных средств необходимо добавлять смазывающие материалы для уменьшения сил трения и снижения износа пневмооборудования. Эти смазывающие материалы также впоследствии могут загрязнять окружающую среду.

Транспортные средства на сжатом воздухе по многим параметрам сравнимы с работающими на аккумуляторных батареях, но имеют такие потенциальные преимущества:

• Почти как и транспорт на аккумуляторных батареях, транспортные средства на сжатом воздухе в конечном счёте получают энергию от электрических распределительных сетей. Это облегчает задачу снижения выбросов в месте использования такого транспорта в противоположность миллионам других транспортных средств.
• Использование технологий сжатого воздуха позволяет снизить стоимость производства транспортного средства примерно на 20 % за счёт отсутствия необходимости использования систем охлаждения, топливных баков, систем впрыска топлива и др^[4].
• Воздух сам по себе негорючий материал.
• Пневмодвигатели значительно меньше по массе и габаритам^[5].
• Пневмодвигатели работают на воздухе относительно невысокой температуры, и поэтому могут быть изготовлены из менее прочных и более лёгких материалов, таких как алюминий, пластик, тефлон, обладающие хорошими фрикционными свойствами и др.
• Изношенные баллоны экологически намного безопасней аккумуляторных батарей.
• Баллоны могут быть перезаряжены сжатым воздухом быстрее, и выдерживают большее количество циклов зарядки-разрядки, чем аккумуляторные батареи. По этому показателю транспортные средства на сжатом воздухе сравнимы с транспортом на жидком топливе.
• Меньший вес воздухомобилей снижает износ дорог, что снижает стоимость их содержания.
• Охлаждающийся при работе воздух может подаваться в салон в жару (не требуется кондиционер и энергия на его работу).

Недостатки

• Принципиальным недостатком является непрямое использование энергии. Сначала энергия используется для сжатия воздуха, а потом от сжатого воздуха передаётся двигателю. Каждое преобразование энергии осуществляется с потерями. То есть, как следствие более низкий КПД чем, например, у дизельного или, тем более, электротранспорта.
• Когда воздух в двигателе расширяется, он очень сильно охлаждается (см. закон Шарля), что может привести к обмерзанию и обледенению двигателя. В то же время, подогрев воздуха может быть проблематичен.
• Дозаправка сжатым воздухом в бытовых условиях может занимать около 4 часов, хотя на специальных станциях при наличии соответствующего оборудования этот процесс может занять лишь несколько минут, но при быстрой заправке компрессором (при отсутствии ресивера заправочной станции) сжимаемый воздух, попадает в баллоны нагретым, баллоны сильно нагреваются. При подобном адиабатическом сжатии возникает дополнительный нагрев сжимаемого воздуха, препятствующий продолжению сжатия, и для продолжения заправки баллоны приходится охлаждать (например, погружая в воду) при заправке, что приводит к дополнительным потерям энергии. Это может быть невозможно в автомобилях, и поэтому заправка в этом случае неизбежно займёт много времени, что может быть переложено на плечи заправочной станции, утилизирующей тепловую разницу адиабатического(технологически) и изотермического(до большей плотности) сжатия воздуха.
• Ранние тесты показали ограниченную энергоёмкость баллонов; единственный тест, результаты которого были опубликованы, показал, что транспортное средство, приводившееся в движение исключительно сжатым воздухом, смогло преодолеть максимальную дистанцию в 7,22 км^[6].
• Исследование 2005 года показало, что транспортные средства на литиево-ионных батареях имеют показатели втрое лучше, чем транспортные средства как на сжатом воздухе, так и на топливных элементах. Однако компания MDI в 2010 г. заявила, что воздухомобили будут способны преодолевать 180 км при вождении по городу и максимальной скорости 110 км/ч^[7], при движении только на сжатом воздухе.

В транспортных средствах на сжатом воздухе протекают различные термодинамические процессы, такие как охлаждение при расширении и нагревание при сжатии воздуха. Поскольку на практике невозможно использовать идеальные теоретические процессы, то потери энергии обязательно происходят, и совершенствование может идти по пути их снижения. Одним из направлений может быть использование больших теплообменников, позволяющих, с одной стороны, эффективнее нагревать пневмодвигатель, а с другой, охлаждать пассажирский салон. В то же время, получаемое при сжатии воздуха тепло, может быть использовано для нагревания жидкостных (водных) систем и использовано позднее.

Один из производителей заявил о разработке пневмодвигателя, имеющего 90 % КПД^[8].

В начале XIX века использование сжатого воздуха в качестве привода различных систем было весьма широко распространено и стало исчезать лишь с продвижением в массовое использование электричества^[10]. До этого пневмопривод находил воплощение в различных приборах — от пневмозвонков в дверях, пневмопочты, пневматического оружия и до предложенной в 1827 году пневматической железной дороги.

В 1861 году на Александровском заводе в Санкт-Петербурге С. И. Барановским был построен локомотив на пневматическом приводе, который получил название духоход Барановского^[11]. Локомотив использовался на Николаевской железной дороге до лета 1862 года.

Сжатый воздух используется с XIX века для привода локомотивов в горной промышленности. Кроме того, в некоторых городах, например, в Париже, сжатый воздух использовался для привода трамваев, запитывавшихся от центральной общегородской пневматической распределительной сети. Ранее сжатый воздух использовался в двигателях торпед, обеспечивавших их движение вперёд.

Во время строительства Сент-Готардской железной дороги в период с 1872 по 1882 годы, пневматические локомотивы использовались при прокладывании Готардского железнодорожного туннеля.

В 1903 году компания «Сжиженный воздух» (англ. Liquid Air Company), расположенная в Лондоне, производила автомобили на сжатом и сжиженном воздухе. Главными проблемами в этих автомобилях, как и вообще в автомобилях на сжатом воздухе, являлся (является) недостаточный вращательный момент пневмодвигателей и высокая стоимость сжатого воздуха^[12]

В последнее время^[] несколько компаний начали разработку воздухомобилей на сжатом воздухе, хотя ни один из них не был выпущен для широкой публики, и не был протестирован независимыми специалистами.

В 1997 году мексиканское правительство заключила договор с европейской компанией MDI, представившей прототип Taxi Zero Pollution с, о постепенной замене таксопарка Мехико (одного из самых загрязненных мегаполисов мира) на «воздушный» транспорт.^[13]

Трое студентов инженеры-механики из Университета штата Сан-Хосе; Даниэль Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мирович, спроектировали и построили велосипед, который работает на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составила около 1000 долларов. Максимальная скорость была зарегистрирована в мае 2009 года и составила 23 миль/ч. (37 км/час)^[14]

Мотоцикл на сжатом воздухе был сделан Эдвином Йи Юанем. Модель основана на Suzuki GP100 где Анжело Ди Пьетро использовал технологию сжатого воздуха^[15]. Также модель от австралийского дизайнера Дина Бенстеда на базе Yamaha WR250R^[16]

В рамках ТВ-шоу «Планета Механики», Джем Стэнсфилд и Дик Стравбридж превратили обычный скутер в мопед на сжатом воздухе.^[17][18].

Несколько компаний занимаются исследованием и производством прототипов подобных автомобилей, планирует выпуск их на рынок в 2016 году.

Motor Development International^[англ.] производит автомобили MultiCATs, которые могут использоваться в качестве автобусов или грузовиков.

• Гидравлический двигатель
• Транспортные средства на жидком азоте

  
  

  Примечания

  1. ↑ Gas cylinders - High pressure cylinders for the on-board storage of natural gas as a fuel for automotive vehicles  (неопр.). Iso.org (18 июля 2006). Дата обращения: 13 октября 2010. Архивировано 12 июля 2012 года.
  2. ↑ The Air Car Preps for Market  (неопр.). Technology Review. Дата обращения: 13 октября 2010. Архивировано 12 июля 2012 года.
  3. ↑ ELECTRIC CARS LINKS HISTORY MANUFACTURERS TESTS SPECIFICATIONS VEHICLE DESIGN AND RESEARCH  (неопр.). Дата обращения: 27 января 2011. Архивировано 21 ноября 2010 года.
  4. ↑ What About Compressed Air Cars?  (неопр.) TreeHugger. Дата обращения: 13 октября 2010. Архивировано 12 июля 2012 года.
  5. ↑ Engineair  (неопр.). Engineair. Дата обращения: 13 октября 2010. Архивировано из оригинала 12 июля 2012 года.
  6. ↑ MDI refilling stations
  7. ↑ MDI Enterprises S.A  (неопр.). Mdi.lu. Дата обращения: 13 октября 2010. Архивировано из оригинала 21 августа 2016 года.
  8. ↑ Technology Review: The Air Car Preps for Market  (неопр.). Дата обращения: 27 января 2011. Архивировано 17 октября 2012 года.
  9. ↑ Braun, Adolphe: Luftlokomotive in «Photographische Ansichten der Gotthardbahn», Dornach im Elsass, ca. 1875
  10. ↑ П. Кривская. Петербургский «Духоход» (рус.) // Наука и Жизнь. — 2003. — № 6. — С. 50-51. Архивировано 15 ноября 2010 года.
  11. ↑ Станет ли новым хорошо забытое старое? // Двигатель. — 2005 г.. — Вып. № 2 (38). Архивировано 22 февраля 2008 года.
  12. ↑ History and Directory of Electric Cars from 1834 - 1987  (неопр.). Didik.com. Дата обращения: 19 сентября 2009. Архивировано 12 июля 2012 года.
  13. ↑ Двигатель на сжатом воздухе для автомобиля  (неопр.). Дата обращения: 26 ноября 2014. Архивировано 1 января 2015 года.
  14. ↑ Велосипед на сжатом воздухе Архивная копия от 6 августа 2016 на Wayback Machine на YouTube
  15. ↑ Green Speed Air Powered Motorcycle  (неопр.). Дата обращения: 27 февраля 2011. Архивировано из оригинала 18 февраля 2011 года.
  16. ↑ Пневмобайкеры грядут // auto.mail.ru, 8 ноября 2012
  17. ↑ Compressed air moped conversion  (неопр.). Дата обращения: 22 апреля 2008. Архивировано из оригинала 1 апреля 2008 года.
  18. ↑ Compressed air moped being built by Jem Stansfield  (неопр.). Ecogeek.org. Дата обращения: 13 октября 2010. Архивировано из оригинала 12 июля 2012 года.

  Ссылки

  • Автомобили на сжатом воздухе // AutoShcool.ru, 15-11-2011
  • Что будем заливать в топливные баки автомобилей будущего? // AutoJournal.su
  • Двигатель на сжатом воздухе для автомобиля // ecoconceptcars.ru
  • Study: «Air Hybrids» Yield Fuel Savings
  • Hydraulic Hybrid Research
  • OSEN page about Compressed Air Technology
  • Compressed-air vehicles history
  • Photograph of the 1903 Liquid Air Company car
  • Regusci Air, Armando Regusci’s official web