Bez samochodu ...
  Samochody z silnikami pneumatycznymi
 

 
Samochody z silnikami pneumatycznymi

Do niedawna wydawało się niemożliwe, aby pojazdy były napędzane czymś innym, niż paliwami kopalnymi. Silnik elektryczny (bez trakcji) jak dotąd okazał się połowicznym sukcesem, ponieważ drogie i ciężkie baterie miały pojemność umożliwiające pokonywanie stosunkowo niewielkich odległości. W ostatnich latach coraz większą popularnością cieszą się auta hybrydowe, w których tradycyjna jednostka napędowa jest wspomagana przez elektryczny silnik. Jednak i temu rozwiązaniu daleko do zaklasyfikowania do grona przyjaznych środowisku.
Alternatywą jest silnik pneumatyczny. Propagatorzy tego rozwiązania  twierdzą, że silniki pneumatyczne są konkurencyjne w stosunku do współczesnych silników spalinowych oraz, że zastosowanie silnika pneumatycznego czyni samochód lżejszym. Warto zauważyć, że w przypadku zasilania z gniazdka z perspektywy klienta jest to samochód elektryczny, tyle że prąd zamiast do ładowania baterii używany jest do kompresowania powietrza. Test zasięgu i prędkości przy poborze tej samej ilości kilowatogodzin rozstrzygnie, czy jest to technologia konkurencyjna dla samochodów elektrycznych.

Silnik pneumatyczny i pomysł użycia powietrza jako nośnika energii nie są nowe. Ich rozwój nastąpił w XIX wieku m.in. za sprawą prac konstrukcyjnych i pomysłów Ludwika Mękarskiego. Silniki zasilane sprężonym powietrzem były używane wówczas do zasilania lokomotyw w kopalniach oraz do napędu tramwajów. Silniki pneumatyczne były i wciąż są używane do rozruchu silników spalinowych w samochodach wyścigowych. Małe silniki pneumatyczne są powszechnie używane do napędu narzędzi ręcznych takich jak wiertarki, młoty udarowe, szlifierki, klucze itp. zwłaszcza do pracy w środowisku gdzie iskra od napędu elektrycznego czy spalinowego mogłaby spowodować pożar.
W 1988 roku Dennis Lee twierdził w swoich materiałach reklamowych, że dysponuje wydajnym silnikiem pneumatycznym (napędzany sprężonym powietrzem).
W 1991r. Guy Nègre (były inżynier Formuły 1) wynalazł silnik z podwójnym zasilaniem. Mógł on działać zarówno na sprężone powietrze jak i na zwykłe paliwo. 

W kwietniu 2005 roku pokazano prototypowy samochód produkcji francuskiej (firma MDI) wg ww. koncepcji, który na jednym ładowaniu powietrzem przejeżdżał 300 km (samochód wielkości smarta).
Tankowanie wozu trwa około 3 minut. W tym czasie przez dystrybutor przepływa 90 metrów sześciennych powietrza sprzężonego do ciśnienia 300 barów.  Firma MDI zadbała, by nabywca mógł uzupełnić poziom sprężonego powietrza we własnym zakresie. Po podłączeniu pokładowego kompresora do źródła prądu wypełnienie karbonowego zbiornika trwa około 4 minut. Silnik napędzany sprężonym powietrzem rozwija moc 25 KM, a moment obrotowy przekracza 60 Nm. To wszystko przy obrotach nie przekraczających 3500/min.

W planach jest też wprowadzanie miejskiego samochodu z podwójnym źródłem zasilania. Do 50 km/h będzie pracował jedynie silnik na sprężone powietrze, zaś po przekroczeniu dozwolonej w mieście prędkości do głosu dojdzie motor zdolny do spalania benzyny i biopaliwa. Niepozorny samochodzik bez najmniejszych trudności uzyska 120 km/h.

W ofercie firmy znajdują się obecnie trzy warianty nadwozia – miejski Minicat, przystosowany do pokonywania dłuższych dystansów Citycat, a także Citycat w wersji dla taksówkarzy.

Podstawowa wersja Minicata została wyceniona na niewiele ponad 6 000 euro. Koszty eksploatacji będą niskie nie tylko ze względu na symboliczną cenę "paliwa". Brak procesów spalania w silniku oznacza, że olej będzie można wymieniać co 50 000 kilometrów. Nie będzie też konieczności okresowej wymiany niektórych elementów. MDI podpisało umowę na dostarczenie do Indii 6 000 sztuk auta na sprężone powietrze, a następnie znana z produkcji małych i tanich samochodów firma Tata ma uruchomić produkcję własną.  Dostawy są planowane także do Niemiec, Izraela oraz Republiki Południowej Afryki.

Istnieją też inne próby wdrożenia samochodu pneumatycznego. Np. koreańska firma Energine Corporation stworzyła samochodowy silnik pneumatyczny, który napędza hybrydowy, pneumatyczno-elektryczny pojazd (PHEV - Pneumatic-Hybrid Electric Vehicle).

System napędowy PHEV jest sterowany komputerem, który instruuje obydwa te silniki jak mają w danej chwili pracować. Sprężone powietrze popycha tłoki, które obracają wał korbowy i przez skrzynię biegów obracają kołami auta. Powietrze jest sprężane przez mały silnik elektryczny zasilany przez 48-woltowy akumulator, który dostarcza energii zarówno kompresorowi, jak i elektrycznemu, poruszającemu koła, silnikowi. Sprężone powietrze jest magazynowane w zbiorniku i wykorzystywane, gdy samochód potrzebuje więcej energii, np. przy ruszaniu z miejsca i przyspieszaniu czy przy wjeździe pod stromą górę. Elektryczny silnik włącza się wtedy, gdy samochód uzyska określoną prędkość.
Firma Energine Corporation uważa, że jej system napędowy jest relatywnie prosty do produkcji i może być z łatwością zastosowany z każdym konwencjonalnym silnikiem. Rzecznik prasowy firmy, Cheol-Seung Cho, twierdzi, że ten system napędu zmniejszy koszty produkcji pojazdu o ok. 20%, ponieważ nie trzeba stosować systemu chłodzenia, zbiornika paliwa, świec zapłonowych i tłumików.
 

Budowa i działanie

W tłokowym silniku pneumatycznym sprężone powietrze działając na tłok porusza go. Źródłem sprężonego powietrza pod ciśnieniem 20 MPa jest kompozytowy zbiornik z włókna węglowego. Do cylindrów powietrze dostarczane jest przez system podobny do konwencjonalnego wtrysku. Unikalna konstrukcja wału korbowego zwiększa czas, podczas którego ładunek powietrza jest ogrzewany ciepłem z otoczenia. Sprawność urządzenia poprawiona jest poprzez użycie ciepła z otoczenia o normalnej temperaturze do ogrzania zimnego rozprężającego się powietrza. To nieadiabatyczne rozprężenie przyczynia się do dużego zwiększenia sprawności silnika. Jedynym gazem wydechowym jest zimne powietrze (-15°C), które może być także użyte w klimatyzacji auta. Silnik na sprężone powietrze  ma tylko dwa suwy. Tego rodzaju silnik nie zatrzymuje się przy małych obrotach (600 obr/min), tak jak w wypadku benzynowych i wysokoprężnych jednostek napędowych. W istniejących tradycyjnych silnikach spalinowych wał korbowy obraca się o 720o w czasie jednego cyklu (ssanie-sprężanie-praca-wydech), natomiast w silniku na sprężone powietrze wał obraca się o 360o w jednym cyklu. Dlatego może on mieć dwa razy większą moc niż silniki spalinowe.

W silniku Negre’a tłok w jednym cylindrze spręża powietrze pobierane z atmosfery, gromadząc je w małym zbiorniku, który zasila zbiornik wysokiego ciśnienia małą porcją powietrza. Później to powietrze jest przesyłane do drugiego cylindra, gdzie wykonuje pracę. Podczas sprężania powietrza w celu jego ogrzania , zachodzi strata energii. A to dlatego, że owa porcja powietrza nie może otrzymać energii z otoczenia, które jest zimniejsze. Ponadto, powietrze musi się natychmiast rozprężyć ponieważ silnik ma system korbowy. Silnik Negre’a pracuje ze stałym momentem obrotowym. Jedynym sposobem przekazania zmiennego momentu do kół jest użycie przekładni o zmiennym przełożeniu, w której również występują straty energii. Kiedy samochód zatrzyma się, silnik Negre’a musi nadal pracować, tracąc energię.
Wersja Armando Regusci silnika pneumatycznego ma pewne zalety w porównaniu do oryginalnego silnika Guy Negre. W wersji Regusci’ego silnik napędza bezpośrednio koła. Przekazywany moment może się zmieniać od zera do maksimum.

W 2004 roku Guy Negre porzucił swój oryginalny projekt i zaproponował nowe rozwiązanie, które jak twierdził wynalazł w 2001 roku. Jednak okazało się ono identyczne z rozwiązanem Armando Regusci’ego opatentowanego w 1989 roku w Urugwaju pod numerem 22976 i w 1990 w Argentynie. W patentach tych wspomina się użycie silników elektrycznych do sprężania powietrza.

Podstawowe zalety samochodów na sprężone powietrze

  • krótki czas ładowania zbiornika sprężonym powietrzem - około 3 minuty w stacji serwisowej lub w kilka godzin w domu poprzez podłączenie do sieci elektrycznej sprężarki znajdującej się na wyposażeniu samochodu.
  • mały  koszt użytkowania - ok. 0,75€ na 100 km (napełnienie zbiorników na stacji tankującej będzie kosztowało około 3 US$).
  • zbiornik napełniony powietrzem nie traci swojego ładunku w przeciwieństwie do akumulatorów, które tracą swój ładunek bez zewnętrznych obciążeń w tempie zależnym od typu, rozmiaru i procesów chemicznych;
  • długotrwała użyteczność urządzenia i mała zużywalność w porównaniu do akumulatorów mających ograniczoną liczbę cykli rozładowań i ograniczony czas użytkowania niezależnie od tego czy są eksploatowane czy nie;
  • sprężone powietrze jako nośnik energii ma przewagę wobec elektrycznych nośników, gdyż brak tu potrzeby produkcji i utylizacji baterii, co jest ważnym czynnikiem środowiskowym
  • ten system eliminuje potrzebę stosowania paliwa węglowodorowego, co czyni go ekologicznym
  • technologia sprężania powietrza nie jest tak technicznie wymagająca jak technologia elektryczna lub hybrydowa benzynowo-elektryczna, ale jest tania i przystępna wszystkim już teraz; sieć sprzedaży sprężonego powietrza (np. przy obecnych stacjach benzynowych) jest stosunkowo łatwa do wprowadzenia.
  • potencjalnie niższy koszt początkowy masowej produkcji niż aut na baterie elektryczne.

Dla pasjonatów pojazdów zasilanych elektrycznie i z alternatywnych źródeł udane silniki pneumatyczne są dobrą wiadomością, ponieważ można ich użyć do zasilania własnych pojazdów spalinowych. Można po prostu kupić silnik pneumatyczny, zbiornik, tarczę dopasowującą, mocowania silnika, zespoły sterowania silnikiem oraz inne elementy i zamontować w nowym lub używanym samochodzie tak jak jest to robione dla samochodów elektrycznych. Zasięg samochodu na jednym napełnieniu zbiorników można łatwo potroić, gdyż dostępne są zbiorniki z włókien węglowych, które przeszły testy bezpieczeństwa dla ciśnienia 70 MPa.

W zastosowaniach praktycznych w transporcie należy wskazać pewne problemy techniczne silnika pneumatycznego:

  • Rozszerzanie sprężonego powietrza powoduje jego oziębienie, które zmniejsza sprawność (zobacz równanie Clapeyrona). To oziębienie zmniejsza ilość energii, która może być odzyskana przez rozprężenie. Aby temu zapobiec silniki ogrzewa się ciepłem z otoczenia, poprawiając wykorzystanie energii sprężonego powietrza.
  • Dla odmiany, sprężanie powietrza przez pompy podgrzewa powietrze. Jeśli to ciepło nie zostanie odzyskane przyczynia się do dalszych strat mocy redukując wydajność.
  • Magazynowanie powietrza pod wysokim ciśnieniem wymaga wytrzymałych zbiorników, które jeśli nie są wykonane z drogich materiałów (np. włókna węglowego), są ciężkie i ograniczają sprawność pojazdu.
  • Odzysk energii pojazdu podczas hamowania przez sprężanie powietrza także wytwarza ciepło, które powinno być wykorzystywane dla poprawienia sprawności.

Perspektywy rozwoju

Jako infrastrukturę proponuje się wyposażenie w sprężarki miejsc użyteczności publicznej, takich jak parkingi, sklepy, itp. Energia do zasilania mogłaby być uzyskiwana konwencjonalnie lub poprzez turbiny wiatrowe lub mechanicznie ze strumienia powietrza z pominięciem etapu elektrycznego. Sprężone powietrze mogłoby zasilać nie tylko samochody osobowe ale również autobusy, łodzie, wodoloty oraz – nie zawsze - samoloty.
Eksperci są zdania, że największą przeszkodą we wprowadzeniu tej innowacji jest przekonanie klientów o jej zaletach, a "złośliwi realiści" sugerują, że główną przyczyną , że takie samochody nie wchodzą do seryjnej produkcji jest to, ze bardzo trudno oakcyzowac ich paliwo.
 

Linki

--

opr. LK na podstawie:

http://moto.wp.pl/kat,15953,wid,8904490,wiadomosc.html?ticaid=16533

http://pl.wikipedia.org/wiki/Silnik_pneumatyczny"

i doniesień bieżących z internetu.

 
  Licznik 136138 odwiedzający (239146 wejścia) (od 13.07.08)  
 
=> Chcesz darmową stronę ? Kliknij tutaj! <=
Copyright serwisu 2008 Leszek Korolkiewicz. Prawa do artykułów przysługują ich autorom/właścicielom.