Введение

Автомобиль, использующий пневматические двигатели. Транспортное средство на сжатом воздухе (CAV) – это транспортный механизм, работающий на энергии, запасенной в резервуарах с атмосферным газом под давлением, и приводимый в движение за счет выпуска и расширения газа в пневматическом двигателе. CAV нашли применение в торпедах, локомотивах, используемых в условиях, когда стандартные локомотивы представляют опасность, и в ранних прототипах подводных лодок. Транспортные средства на сжатом воздухе работают по термодинамическому принципу, согласно которому воздух охлаждается при расширении и нагревается при сжатии, что приводит к тепловым потерям энергии и снижает эффективность. Однако, благодаря недавним разработкам в области изотермических установок хранения энергии сжатого воздуха (ICAES), накопление энергии сжатого воздуха достигло в 4 раза большей энергоемкости, чем у литий-ионных аккумуляторов – 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м³. В 2020 году доктор Реза Ализаде Эврин из Ontario Tech University представил разработки автомобиля ICAV, или изотермического транспортного средства на сжатом воздухе, использующего эксцентриковый роторно-лопастной двигатель, работающий на низком давлении воздуха.

Жидкий поршень

Другой недавний двигатель, который можно адаптировать для использования со сжатым воздухом, – это роторный двигатель Liquidpiston. Резервуары должны быть спроектированы в соответствии со стандартами безопасности, применимыми к сосудам под давлением, например, ISO 11439. Сосуды под давлением или резервуары для хранения воздуха, используемые в транспортных средствах со сжатым воздухом, могут быть рассчитаны на низкое давление (9 атм) или высокое давление (+240 атм) и могут быть изготовлены из композитных материалов, таких как термопластики и волокноармированные термопластики. Это означает, что стоимость может быть снижена за счет использования переработанных или биоразлагаемых термопластов методом ротационного формования. Они значительно легче литий-железных аккумуляторов и на 70% легче стальных резервуаров, а также имеют больший срок службы и требуют минимального обслуживания. Для дальнейшего снижения веса транспортного средства воздушные резервуары можно использовать как структурные элементы, интегрируя резервуар в основную конструкцию шасси с соответствующей системой поглощения ударов. Однако резервуары из волокноармированного термопластика при столкновении не взрываются, а лишь разрушаются. Определенные достижения в области сосудов под давлением для транспортных средств были разработаны для водородных автомобилей с сосудами под высоким давлением. Автомобильный дизайнер Hyundai отмечает: водородные баки требуют "высокой прочности" для предотвращения разрушения и "высокой жесткости" для обеспечения долговечности. Прочность определяется как способность сопротивляться внешнему воздействию, а жесткость – как способность сохранять форму. Углеродное волокно, используемое для изготовления водородных топливных баков, по весу сравнимо с пластиком, но в шесть раз прочнее и в четыре раза жестче стали. "Когда пуля пробивает водородный бак, он не взрывается. Вместо этого водород вытекает через отверстие от пули. В ходе стандартного краш-теста даже незначительное количество водорода не было обнаружено, поскольку утечек не произошло."

Производство сжатого воздуха, его хранение, энергоэффективность и плотность

Сжатый воздух имеет низкую плотность энергии, однако аккумулирование энергии сжатого воздуха вблизи изотермических условий (ICAES) обладает почти в 4 раза большей емкостью, чем литий-ионные аккумуляторы – 2,7 МДж/кг или 3,6 МДж/м3. Сжатый воздух использовался с 19-го века для привода шахтных локомотивов и трамваев в таких городах, как Париж (через центральную, городскую систему распределения энергии сжатого воздуха), и ранее являлся основой для привода морских торпед. Во время строительства Готтардской железной дороги с 1872 по 1882 год пневматические локомотивы использовались при строительстве Готтардского железнодорожного туннеля и других туннелей Готтардской железной дороги. В 1903 году компания Liquid Air Company, расположенная в Лондоне, Великобритания, изготовила ряд автомобилей, работающих на сжатом и сжиженном воздухе. Основная проблема этих автомобилей и всех автомобилей сжатого воздуха заключается в недостатке крутящего момента, создаваемого "двигателями", и в стоимости сжатия воздуха. С 2010 года несколько компаний начали разрабатывать автомобили, работающие на сжатом воздухе, включая гибридные типы, которые также включают бензиновый двигатель; ни один из них не был выпущен в продажу или протестирован независимыми экспертами.

Преимущества

Энергоэффективность источника энергии достигается за счет использования ветровых турбин для привода компрессоров или насосов, что обеспечивает однократное преобразование механической энергии в пневматическую или гидравлическую. Также возможно обеспечение кондиционирования или климат-контроля, используя низкую температуру, возникающую при расширении воздуха. Системы рекуперации энергии с регенеративной подвеской и регенеративным торможением производят сжатый воздух низкого давления для хранения в дополнительном резервуаре высокого давления. Бесштоковые роторные двигатели, работающие на сжатом воздухе, отличаются низким уровнем шума и могут быть дополнительно звукоизолированы благодаря низкой температуре их функционирования. Отсутствие пожароопасности делает эту систему одной из немногих транспортных систем, не способных к самовозгоранию или взрыву после столкновения, в отличие от транспортных средств, работающих на бензине, этаноле, водороде или аккумуляторах.

Недостатки

Плотность энергии сжатого воздуха по сравнению с жидким азотом или водородом. Энергетическая эффективность двигателя, работающего на сжатом воздухе, по сравнению с микрогазовой турбиной с надлежащей звукоизоляцией, которую можно использовать в гибридных газотурбинных электромобилях, использующих смесь сжатого воздуха, жидкого азота или водорода (ранее в транспортных средствах с газовой турбиной использовалась конструкция, ориентированная на скорость, а не на эффективность, состоящая из крупных шумных газовых турбин, подключенных к трансмиссии). Газовая турбина (которая используется на тепловых электростанциях благодаря своей эффективности) превосходит безпоршневые роторные двигатели, однако производство сжатого воздуха более энергоэффективно и, следовательно, требует меньше энергии ветра и инфраструктуры. Кроме того, существуют потери эффективности при передаче от газовой турбины к генератору и затем к электродвигателю. В то время как батареи способны в определенной степени поддерживать напряжение в процессе разряда, а баки с химическим топливом обеспечивают одинаковую плотность мощности от первого до последнего литра, давление в резервуарах сжатого воздуха снижается по мере отбора воздуха, что приводит к уменьшению доступной мощности.

Возможные улучшения

Возможно хранение сжатого воздуха при более низком давлении, используя абсорбирующий материал внутри резервуара. Абсорбирующие материалы, такие как активированный уголь или металлорганические каркасы, используются для хранения сжатого природного газа при давлении 500 psi вместо 4500 psi, что обеспечивает значительную экономию энергии.

Серийные автомобили

Несколько компаний исследуют и создают прототипы, в том числе гибридные автомобили с комбинированным двигателем, работающим на сжатом воздухе и бензине. По состоянию на август 2017 года ни один из разработчиков еще не приступил к серийному производству, хотя компания Tata заявила о начале продаж автомобилей с 2020 года, а американский дистрибьютор MDI, Zero Pollution Motors, сообщает о начале производства AIRPod в Европе в 2018 году.

Экспериментальные автомобили и велосипеды

В 2008 году автомобиль, работающий на сжатом воздухе и природном газе, разработанный студентами-инженерами из Университета Дикина в Австралии, стал одним из победителей конкурса Ford Motor Company T2 на создание автомобиля с запасом хода 200 км и оценочной стоимостью менее 7000 долларов. Австралийская компания Engineair выпустила ряд типов транспортных средств – мопеды, малолитражные автомобили, небольшие грузовики, картинги – на базе роторного двигателя, работающего на сжатом воздухе, разработанного Анджело Ди Пьетро. Мотоцикл с приводом от сжатого воздуха, названный Green Speed Air Powered Motorcycle, был создан Эдвином И Юаном на базе Suzuki GP100 с использованием двигателя на сжатом воздухе Angelo Di Pietro. Три студента-механика из Университета штата Сан-Хосе – Даниэль Мекис, Дэннис Шааф и Эндрю Мерович – спроектировали и построили велосипед, работающий на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составила менее 1000 долларов США, а спонсорами выступили Sunshops (на набережной в Санта-Крузе, Калифорния) и NO DIG NO RIDE (из Aptos, Калифорния). Максимальная скорость во время первого заезда в мае 2009 года составила 37 км/ч (23 мили в час). Несмотря на простоту конструкции, эти трое пионеров в области транспортных средств на сжатом воздухе помогли проложить путь французскому автопроизводителю Peugeot Citroën для разработки совершенно нового гибридного привода на сжатом воздухе. Система 'Hybrid Air' использует сжатый воздух для приведения в движение колес автомобиля при скорости ниже 70 км/ч (43 мили в час). Peugeot заявила, что новая гибридная система должна обеспечивать расход топлива до 22,5 км на литр (141 миля на галлон). Предполагалось, что выпуск моделей начнется уже в 2016 году. Однако руководитель проекта покинул Peugeot в 2014 году, а в 2015 году компания сообщила, что не смогла найти партнера для разделения затрат на разработку, что фактически положило конец проекту. Трехколесный автомобиль с приводом от сжатого воздуха "Ku:Rin" был создан компанией Toyota в 2011 году. Особенностью этого автомобиля является установленный рекорд максимальной скорости 129,2 км/ч (80 миль в час), несмотря на использование двигателя, работающего исключительно на сжатом воздухе. Этот автомобиль был разработан в "Мастерской автомобилей мечты" компании. Автомобиль получил прозвище "изящная ракета" или "ракета в форме карандаша". В рамках телешоу Planet Mechanics Джем Стенсфилд и Дик Стробридж переоборудовали обычный скутер в мопед на сжатом воздухе, оснастив его двигателем и резервуаром для сжатого воздуха. В 2010 году Honda представила концепт-кар Honda Air на автосалоне в Лос-Анджелесе. С 2008 года бывшая компания Bosch Rexroth, а ныне Emerson, организует Международный конкурс пневмомобилей Emerson's International AVENTICS Pneumobile Competition в городе Эгер, Венгрия. Это соревнование для студентов высших учебных заведений по созданию гоночных автомобилей, приводимых в движение сжатым воздухом. В рамках мероприятия проводится международная конференция, организованная Университетом Обуды, кафедрой машиностроения и безопасности имени Банки Доната.

Поезда, трамваи, лодки и самолеты

Локомотивы, работающие на сжатом воздухе, являются разновидностью бездымных локомотивов и использовались в горнодобывающей промышленности и при прокладке туннелей. Начиная с 1876 года, испытывались различные трамваи с приводом от сжатого воздуха. В Нанте и Париже трамваи системы Мекарски регулярно эксплуатировались более 30 лет. См. также статью «Нантский трамвай» раздел «Трамваи сжатого воздуха (1879–1917)». В настоящее время не существует ни водных, ни воздушных транспортных средств, использующих двигатель, работающий на сжатом воздухе. Исторически некоторые торпеды приводились в движение двигателями сжатого воздуха.