Кіріспе

Пневматикалық қозғалтқышты пайдаланатын автомобиль. Қысылған ауамен жүретін көлік (CAV) – қысылған атмосфералық газ баллондарымен отындырылатын және газдың пневматикалық қозғалтқыш ішінде босатылып, кеңеюі арқылы қоздырылатын көлік құралы. CAV көліктері торпедаларда, стандартты локомотивтердің қауіпті жағдайларда қолданылуы тиіс болған локомотивтерде, сондай-ақ алғашқы прототиптік суасты кемелерінде қолданыс тапқан. Қысылған ауамен жүретін көліктер термодинамикалық процеске сәйкес жұмыс істейді, онда ауа кеңейгенде салқындайды, ал қысылғанда қызады, бұл қуат коэффициентін азайтатын жылу энергиясының жоғалуына әкеледі. Алайда, соңғы кездегі изотермиялық қысылған ауа энергиясын сақтау (ICAES) станцияларының дамуына байланысты, қысылған ауа сақтау литий-ионды аккумуляторлардың қуат коэффициентінен 4 есе артық, яғни 2,7 МДж/кг немесе 3,6 МДж/м³ деңгейіне жетті. 2020 жылы Онтарио Техникалық университетінің докторы Реза Ализаде Эвриннің жариялаған ICAV көлігі немесе изотермиялық қысылған ауамен жүретін көлік саласында дамулар болды. Бұл – төмен ауа қысымын пайдаланатын эксцентрлік валмен жабдықталған лопастьты қозғалтқыш.

Сұйық поршень

Тағы бір соңғы қозғалтқыш, қысылған ауамен жұмыс істеуге бейімделген – Сұйық поршенді айналмалы қозғалтқыш. Резервуарлар ISO 11439 сияқты қысымды ыдыстарға арналған қауіпсіздік стандарттарына сәйкес жобалануы керек. Қысылған ауамен жүретін көліктерде қолданылатын қысымды ыдыстар немесе ауа сақтау резервуарлары төмен қысымды (9 атм) немесе жоғары қысымды (+240 атм) болуы мүмкін, сондай-ақ термопластик және талшықты термопластик сияқты композиттік материалдардан жасалуы мүмкін. Бұл айналмалы қалыптау арқылы қайта өңделген немесе био-негізделген термопластиктерді пайдалану арқылы бағаны төмендетуге мүмкіндік береді. Олар литий-темір аккумуляторларынан әлдеқайда жеңіл, ал болат резервуарларға қарағанда 70%-ға жеңіл, сонымен қатар ұзақ қызмет етеді және аз күтімді қажет етеді. Көліктің салмағын одан әрі азайту үшін ауа резервуарларын құрылымдық элемент ретінде пайдалануға болады, яғни резервуар тиісті соққыны жұмсарта отырып, көлік шассиінің негізгі бөлігіне айналады. Дегенмен, талшықты күшейтілген термопластикалық резервуарлар тек соқтығыс кезінде ғана жарылады, жарылмайды. Көліктерге арналған қысымды ыдыстар саласында жоғары қысымды резервуарлары бар сутегілік көліктер үшін де жетістіктерге қол жеткізілді. Автомобиль дизайнымен айналысатын Hyundai компаниясы былай мәлімдейді: Сутегі резервуарлары жарылудың алдын алу үшін «Жоғары беріктікке» және тұрақтылық үшін «Жоғары қатаңдыққа» мұқтаж. Беріктік – сыртқы күш әсеріне қарсы тұру деңгейі ретінде анықталады. Ал қатаңдық – бастапқы пішінін сақтап тұруға қабілеттілік деңгейі. Сутегі отынды резервуарларын жасау үшін қолданылатын көміртекті талшық материалдары пластиктей жеңіл, бірақ болаттан 6 есе берік және 4 есе қатаң. «Оқ сутегі резервуарын тесіп өткен жағдайда, ол жарылмайды. Оның орнына сутек оқ тесігі арқылы шығады. Стандартты соқтығысу сынағында сутектің тіпті ең кішкентай мөлшері де анықталған жоқ, себебі ол сыртқа шыққан жоқ».

Қысылған ауа өндірісі, сақтау және энергия тиімділігі мен тығыздығы

Қысылған ауаның энергия тығыздығы төмен, бірақ адиабатикалық қысылған ауа энергиясын сақтау (ICAES) литий-ионды аккумуляторлардың сыйымдылығынан шамамен 4 есе артық, яғни 2,7 МДж/кг немесе 3,6 МДж/м3 құрайды. Қысылған ауа 19-шы ғасырдан бері Париж сияқты қалалардағы шахта локомотивтерін және трамвайларды (орталық, қалалық деңгейдегі қысылған ауа энергиясын тарату жүйесі арқылы) қуаттандыру үшін қолданылып келді, және бұрын теңіз торпедаларын қоздырудың негізі болған. 1872-1882 жылдар аралығында Готтард теміржолының құрылысы кезінде, Готтард тоннелі мен Готтард теміржолының басқа тоннельдерін салу үшін пневматикалық локомотивтер пайдаланылды. 1903 жылы Лондон, Ұлыбританияда орналасқан Liquid Air компаниясы бірнеше қысылған ауа және сұйытылған ауа көліктерін өндірді. Бұл көліктердің және барлық қысылған ауа көліктерінің басты мәселесі – "қозғалтқыштардың" өндіретін айналу күшінің жеткіліксіздігі және ауаны қысудың жоғары құны. 2010 жылдан бері бірнеше компания қысылған ауамен жүретін көліктерді, соның ішінде бензинмен жұмыс істейтін қозғалтқыштары бар гибридтік түрлерін жасауды бастады; бірақ олардың ешқайсысы халыққа ұсынылмады немесе тәуелсіз сарапшылармен сынақтан өткізілген жоқ.

Артықшылықтар

Энергия көзінің энергия тиімділігі, жел турбиналарын компрессорларға немесе сорғыларға қолдану арқылы механикалық энергия пневматикалық немесе гидравликалық энергияға бір рет айналдырылады. Сонымен қатар, ауа кеңейген кезде туындайтын төмен температураны пайдаланып, кондиционерлеу немесе климатты бақылау жүйесін қамтамасыз етуге болады. Регенеративті аспалы және регенеративті тежегіштермен жабдықталған энергияны қайтару жүйелері, төмен қысымды қысылған ауаны қосымша ыдысқа жинақтайды. Қысылған ауаны пайдаланғанда поршенсіз айналмалы қозғалтқыштардың шу деңгейі төмен, және жұмыс істейтін температураның төмендігіне байланысты оларды дыбыс өткізбейтін етуге болады. Өрт қаупі болмайды, бұл оны бензин, этанол, сутек және аккумуляторлік көліктердегідей, өздігінен немесе соқтығысқаннан кейін өрт немесе жарылыс тудырмайтын сирек көлік жүйелерінің біріне айналдырады.

Кемшіліктер

Сұйық азот немесе сутегімен салыстырғанда қысылған ауаның энергия тығыздығы. Қысылған ауамен жұмыс істейтін қозғалтқыштың энергия тиімділігі, қысылған ауа, сұйық азот немесе сутек қоспасын пайдаланатын гибридтік газ турбиналық электр көліктерінде қолдануға болатын, тиісті дыбыс оқшаулағышы бар микрогаз турбинасымен салыстырылғанда (бұрынғы газ турбиналық көліктер жылдамдыққа бағытталған жүйе қолданған, тиімділік үшін емес – үлкен шу шығаратын газ турбиналары тікелей беріліске қосылған), себебі газ турбинасы (оның тиімділігіне байланысты жылу электр станцияларында қолданылады) поршеньсіз айналмалы қозғалтқыштардан жоғары, бірақ қысылған ауа өндіру энергияны тиімдірек пайдаланады, сондықтан жел энергиясы мен инфрақұрылым аз қажет, сондай-ақ газ турбинасынан генераторға және электрмоторға энергия беру кезінде тиімділік төмендейді. Батареялар разрядталғанда кернеуді біршама сақтай алады, ал химиялық отын бактерілері алғашқы литрден соңғы литрге дейін бірдей қуат тығыздығын ұсынады, бірақ қысылған ауа бактерілерінің қысымы ауа тартылғанда төмендейді, бұл қол жетімді қуатты азайтады.

Мүмкін болатын жақсартулар

Цистерна ішінде сіңіру материалы арқылы сығымдалған ауаны төмен қысымда сақтау мүмкін. Белсендірілген көмір немесе металл-органикалық құрылым сияқты сіңіру материалдары, 4500 пси орнына 500 пси қысымда сығымдалған табиғи газды сақтау үшін қолданылады, бұл үлкен энергия үнемдеуге әкеледі.

Сериалдық автомобильдер

Бірнеше компания гибридтік қысылған ауа/бензинмен жану машиналарын зерттеп, прототиптерін жасап шығаруда. 2017 жылдың тамыз айына дейін әзірлеушілердің ешқайсысы өндіріске кіріспеді, алайда Tata компаниясы 2020 жылдан бастап көліктерді сатуды жоспарлап отыр, ал MDI-дің АҚШ-тағы дистрибьюторы Zero Pollution Motors AIRPod өндірісінің 2018 жылы Еуропада басталатынын мәлімдеді.

Эксперименттік автомобильдер мен велосипедтер

2008 жылы Австралиядағы Дикин университетінің инженерлік студенттері құрастырған қысылған ауа мен табиғи газбен жұмыс істейтін көлік 200 км қашықтықты жүре алатын және құны 7000 доллардан аспайтын автомобиль жасау бойынша Ford Motor Company T2 конкурсының бірлескен жеңімпазы атанды. Австралиялық Engineair компаниясы Анджело Ди Пьетро жасаған ротациялық қысылған ауа қозғалтқышын пайдаланып, мопед, кішкентай автомобиль, кішкентай жүк көлігі және го-карт сияқты бірнеше көлік түрлерін өндірді. Эдвин И Юань «Green Speed Air Powered Motorcycle» деп аталған қысылған ауамен жұмыс істейтін мотоцикл жасады. Сан-Хосе мемлекеттік университетінің инженер-механиктері Дэниел Мекис, Дэннис Шааф және Эндрю Мерович қысылған ауамен жүретін велосипед құрастырды. Прототиптің құны 1000 доллардан төмен болды және оған Sunshops (Калифорния штатының Санта-Круз қаласындағы Boardwalk) және NO DIG NO RIDE (Аптос, Калифорния) демеушілік жасады. 2009 жылдың мамырындағы алғашқы сынақ сапарында жылдамдық 23 миль/сағатқа жетті. Олардың дизайны қарапайым болғанымен, қысылған ауамен жұмыс істейтін көліктерді жасаудағы осы үш пионер француз автокөлік өндірушісі Peugeot Citroën компаниясына жаңа ауамен жұмыс істейтін гибридті жүйені ойлап табуға көмектесті. «Hybrid Air» жүйесі автомобильдің дөңгелектерін 43 миль/сағаттан төмен жылдамдықпен қозғалту үшін қысылған ауаны пайдаланады. Peugeot компаниясының мәлімдемесіне сәйкес, жаңа гибридтік жүйе бір галлон бензинмен 141 мильдей жол жүруге мүмкіндік береді. Модельдердің 2016 жылға қарай өндіріске түсуі күтілген. Алайда, жобаның басшысы 2014 жылы Peugeot компаниясын тастап кетті, ал 2015 жылы компания даму шығындарын бөлісуге серіктес таба алмағанын мәлімдеді, нәтижесінде жоба тоқтатылды. Toyota компаниясы 2011 жылы «Ku:Rin» деп аталған, қысылған ауамен жұмыс істейтін үш дөңгелекті көлікті жасады. Бұл көліктің ерекшелігі – тек қысылған ауаны пайдаланатын қозғалтқышына қарамастан, ол 129,2 км/сағ (80 миль/сағ) ең жоғары жылдамдыққа ие болды. Бұл автомобиль компанияның «Dream car workshop» шеберханасында әзірленді. Көлік «сұңғыма зымыран» немесе «қалам тәрізді зымыран» деп аталды. Planet Mechanics телешоуы аясында Джем Стенсфилд пен Дик Стробридж қарапайым скутерді қысылған ауамен жұмыс істейтін мопедке айналдырды. Бұл үшін скутерге қысылған ауа қозғалтқышы және ауа резервуары орнатылды. 2010 жылы Honda компаниясы LA автосалонында Honda Air концепт-автомобилін таныстырды. 2008 жылдан бері бұрынғы Bosch Rexroth, қазір Emerson Венгрияның Эгер қаласында Emerson's International AVENTICS Pneumobile Competition жарысын ұйымдастырып келеді. Бұл жоғары білім беру орындарының студенттері үшін қысылған ауамен қозғалатын жарыс көліктерін құрастыру бойынша жарыс. Обуда университетінің Банки Донат атындағы механикалық және қауіпсіздік инженериясы кафедрасы ұйымдастырған шарамен байланысты халықаралық конференция өткізіледі.

Пойыздар, трамвайлар, қайық және ұшақтар

Қысылған ауа локомотивтері – отсыз локомотивтердің бір түрі және олар тау-кен өнеркәсібінде және туннель қазуда қолданылған. 1876 жылдан бастап, қысылған ауамен жұмыс істейтін әртүрлі трамвайлар сынақтан өтті. Нант және Парижде Мекарский жүйесіндегі трамвайлар 30 жылдан астам тұрақты қызмет көрсетті. Толық ақпарат алу үшін Нант трамвайы# Қысылған ауа трамвайлары (1879–1917) бөлімін қараңыз. Қазіргі уақытта қысылған ауа қозғалтқышын пайдаланатын су немесе әуе көліктері жоқ. Тарихи мағлұматтар бойынша, кейбір торпедалар қысылған ауа қозғалтқыштарымен қоздырылған.