Et trykkluftkjøretøy er et kjøretøy som drives av en trykkluftmotor , hvor luften vanligvis lagres i en tank. Denne teknologien har hovedsakelig blitt brukt på slutten av XIX th -tallet og begynnelsen av XX th århundre i gruvedrift lokomotiver og urbane sporvei; for denne typen bruk ga fraværet av røykproduksjon disse trykkluftkjøretøyene en betydelig fordel i forhold til de mer forurensende damplokomotivene. Mer nylig (begynnelsen av XXI th århundre ) ulike prosjekter og prototyper av kjøretøy ved hjelp av trykkluft dukket opp (sykler, biler), men ingen reell markedsføring hittil.
Bruken av trykkluftutløser som drivkraft til et kjøretøy dateres tilbake til dagene for utvikling av jernbane og mekaniske trekkvogner der det i visse situasjoner, som gruvedrift og bynett, var nødvendig å unngå risikoen for brann og forurensning som ligger i det vanlige damplokomotivet .
De første systemene til Tomlinson ( 1820 ) i USA eller Andraud ( 1830 ) i Frankrike var feil, fordi trykkluften sirkulerte i et rør langs sporet og lokomotivet måtte utstyres for å trekke det kontinuerlig. (Av en lignende enhet til katastrofer av hangarskip) som forårsaket lekkasjer og dårlig ytelse.
Et nytt system designet av Antoine Andraud og Cyprien Tessié du Motay , i Paris , i 1840 , hvor lokomotivet var utstyrt med en tank som var fylt på visse punkter i nettverket, beviste muligheten for systemet.
De første praktiske anvendelsene av trykkluftmotorkjøretøyer på jernbane dateres tilbake til kjedelig jernbanetunnel ( 1872 ), særlig Saint-Gothard i Sveits, og til noen eksperimenter med trikker. Men nedkjøling av motorsylinderen ved utvidelse av komprimert luft transformerte fuktigheten til motorluften til iskrystaller som forårsaket blokkeringer.
Det var ingeniøren Louis Mékarski som perfeksjonerte systemet ved å kombinere trykkluft og overopphetet trykkvann, og gjorde det fullt operativt med tanke på å utstyre trikknett . Den ble først testet i parisiske trikker fra 1876 til 1879 på Tramways-Nord-nettverket .
Deretter ble den brukt på flere linjer i Île-de-France-nettverket: Chemins de fer nogentais , Tramway de Sèvres à Versailles , Compagnie des tramways de Saint-Maur-des-Fossés og på Paris-nettverket til Compagnie Générale des Omnibus fra 1894 til 1914 .
Fra 1879 ble hele Nantes trikkenett gradvis utstyrt med mer enn 90 trykkluftbiler som var tilfredsstillende frem til 1917 . Fra 1890 var andre byer utstyrt med Mékarski-trikker som Bern (1890), Vichy (1895), Aix-les-Bains (1896), Saint-Quentin (1899) og La Rochelle (1901). Mékarski-lokomotiver var også i tjeneste på den parisiske delen av Arpajonnais for den "stille" tjenesten til Halles de Paris fra 1895 til 1901 .
Et av New Yorks skytrain-prosjekter var å bruke lokomotiver drevet av trykkluft og overopphetet vann. Motoren gikk under regenerativ bremsing for å lade trykkluftbeholderen og varme opp vanntanken.
Begynnelsen i 1896 markedsførte HK Porter Company i Pittsburgh trykkluftlokomotiv oppfunnet av Charles B. Hodges. Den doble så tredoble ekspansjonsmotoren (høyt- og lavtrykksylindere) ble fullført av en atmosfærisk varmeveksler. Den komprimerte luften som ble avkjølt av den første utvidelsen, ble oppvarmet av den omgivende luften, noe som gjorde det overopphetede vanninnretningen unødvendig og forbedret den samlede effektiviteten. Tusenvis av Porter-lokomotiver ble brukt i kullgruver i det østlige USA frem til 1930-tallet . Andre produsenter over hele verden har produsert lignende maskiner i store mengder for gruver og industrifabrikker som ikke tåler røyk eller støv. Autonomi økte med muligheten for å bygge lufttanker med høyt trykk (opptil 250 bar). Disse maskinene ble brukt til 1950-tallet , før de ble forbigått av utviklingen av gassmotorer med lave utslipp og forbedrede elektriske akkumulatorer.
Implementeringen av bilen har også vært gjenstand for noen prestasjoner. Mindre forurensende enn det elektriske kjøretøyet (som forurenser av komponentene i batteriene), men som også lider av en begrenset autonomi, virker konseptet glemt av den "økologiske" verdenen og drar ikke nytte for øyeblikket av noen stor industriist for markedsføringen. og dens utvikling. Flere selskaper jobber imidlertid med anvendelsen av trykkluftmotoren for bilen .
De 7. mai 2012, det indiske selskapet Tata Motors, som bygger veldig kompakte biler til en lav pris, kunngjorde at det har bestått i samarbeid med MDI- selskapet , brukt tester på prototyper og startet en fase med å sette opp produksjonsprosessen for dette kjøretøyet.
Siden mars 2017 har det franske selskapet Anthos Air Power Normandie (opprettet av Air Power Technologie France) utviklet en trykkluftmotor designet i Italia. Tilbys som et sett, tillater det modifisering og konvertering av eksisterende biler som varebiler eller nyttekjøretøyer til kjøretøy som opererer med trykkluft, og demonstrerer dermed den perfekte levedyktigheten til systemet for bilen.
Den komprimerte luft motor og trykklufttanker er spesialtilfeller av pneumatiske systemer , som bruker prinsippene for termodynamikk av komprimerbare gasser som er presentert i de tilsvarende artikler.
Sammenlignet med den elektriske motor eller forbrenningsmotor , den luftmotoren har visse fordeler, men også betydelige svakheter for sin tilpasning til bil transport:
Når det gjelder energilagringSammenliknet med motorer med indre forbrenning , både pneumatiske og elektriske systemer har den ulempe at de begrensede autonomi som var akseptabelt for kjøretøyer som trikker tidlig XX th -tallet , med deres hyppige stopp og faste ruter gir rask opplading luft, men som viser seg å være mindre kompatible med den nåværende bruken av et privat kjøretøy. Imidlertid kan bruken av avanserte teknikker (karbonfiber lufttanker) gjøre det mulig å redusere denne ulempen ved å gjøre kjøretøyene lettere (se kapittelet " rekkevidde " og metodene for energibeskrivelse i artikkelen om pneumatisk energi ).
På begynnelsen av 2000-tallet lette to selskaper , Motor Development International (MDI) og Energine, utviklingen av prosjektene sine på prinsippet om småbiler, så mye som mulig.
MDIDette selskapet kunngjør en rekke trykkluftbiler utviklet etter et identisk konsept. Men dets forskjellige prosjekter forblir i prototypetyper og har i 2018 ennå ikke resultert i kommersialisering.
For å distribuere sine produkter har MDI utviklet et originalt konsept som består av markedsføring av nøkkelferdige fabrikker for å produsere og selge bilene lokalt.
I februar 2007, en lisensavtale for eksklusiv anvendelse av denne teknologien i India er signert med den indiske bilgiganten TATA motorer . TATA var forpliktet til å støtte forskning på trykkluftmotorer og fikk rett til å markedsføre modeller ved bruk av MDI-teknologi; iMai 2012Tata Motors har utgitt en ny pressemelding som indikerer at den har fullført testingen av MDI-luftmotoren i to av kjøretøyene.
Den første betongindustriproduksjonen av et MDI-kjøretøy skulle finne sted i Sveits: selskapet Catecar SA hadde logget på oktober 2010en lisensavtale for å produsere trykkluftbiler i Reconvilier (kantonen Bern). Utgivelsen av det første kjøretøyet som ble bygget helt i Sveits var planlagtmars 2011, men dette prosjektet er forlatt (juni 2011), som de fleste av MDIs tidligere industrielle samarbeid (unntatt det med " Tata Motors ").
EnerginIngeniørene til dette koreanske selskapet var i stand til å produsere, fra en Daewoo Matiz , en hybrid prototype elektrisk motor / trykkluftmotor (PHEV, Pneumatic Hybrid Electric Vehicle ). Trykkluftmotoren brukes faktisk til å kjøre en generator , som utvider rekkevidden til bilen. Bilen fungerer og er testet av journalister, men prosjektet er forlatt (selskapets nettside eksisterer ikke lenger).
VAP og VPP"K'Airmobiles" er navnet på et sett med luftassisterte kjøretøy (VAP) og luftdrevne kjøretøy (VPP) -prosjekter , med sikte på å unnslippe de termodynamiske begrensningene for trykkluft, eller rettere sagt å dra nytte av den.
Prosjektet ble utviklet i Frankrike fra 2006 - 2007 , og ble forlatt i 2009 fordi det ikke klarte å finne den nødvendige økonomiske støtten. I 2010 , takket være en gruppe nordamerikanske investorer, patenter for K'Air turbinmotoren endelig blitt registrert i Canada , ble prosjektet reinitialisert, men denne gangen med tanke på tidligere bygging av en enhet med grønn energiproduksjon. (vind + sol) som vil tillate en praktisk demonstrasjon av motorkonseptet.
PeugeotPeugeot ( PSA ) presentert for pressen, iJanuar 2013, prototypen til en ny hybrid bensinmotor kalt “ Hybrid Air ”. Denne prototypen bruker bare trykkluft for å lagre bremseenergi, og ikke som hovedfremdrift i motsetning til kjøretøyene som ble presentert tidligere. Denne luften (faktisk nitrogen ) komprimeres i løpet av bremsefasene, og den lagrede energien frigjøres deretter for å kjøre hjulene under neste akselerasjon; de resulterende energibesparelsene er derfor bemerkelsesverdige, spesielt i byen. Dreiemomentet overføres til hjulene via et episyklisk tog som erstatter den konvensjonelle girkassen (teknologi som ligner på Toyotas HSD- systemer ).
Det var planlagt å markedsføre dette systemet, utviklet i samarbeid med Bosch og Faurecia innen 2016, på den fremtidige Peugeot 308 og Citroën C4 , men markedsføringen skjedde ikke (forlatelse av prosjektet).
Den Peugeot 208 Hybrid Air konsept bil , presentert ved det 2014 Paris Motor Show, kombineres en liten 82 hestekrefter 3-sylindret bensinmotor og en hydraulisk motor-pumpeenheten montert på overføring og forbundet med en trykklufttank; det skulle gjøre det mulig (med ekstra gevinster i bilens vekt og aerodynamikk) å redusere drivstofforbruket med 40% til 45% i bykjøring og dermed senke det normaliserte forbruket til to liter per 100 kilometer. Konseptbilen Citroën C4 Cactus AirFlow bruker samme teknologi.
AnnenNår det gjelder Quasiturbine , er det et kanadisk prosjekt (ikke et kjøretøy) som ifølge designerne kan fungere like bra med eksplosivt drivstoff som med trykkluft.
På showet utformingen av Los Angeles (November 2.01 tusen ), de bilprodusentene Honda , Volvo og Cadillac presenteres " konseptbiler " som er utstyrt med trykkluftmotorer.
I september 2011, Den Ku: Rin ( Toyota ) tricar nådde et rekordhastighet på 129,2 km / t .
De eneste kjøretøy i komprimert luft blir utbredte (i flere hundre eksemplarer) er gruvedrift lokomotiver og trikker på slutten av XIX th -tallet og begynnelsen av XX th , hovedsakelig drevet Mékarski .
Mékarski-trikken fra 1900 var i stand til å reise på leiligheten ca 16 km uten å lade med en vekt på ca. 14 tonn og tanker som inneholder 3 m 3 trykkluft ved et trykk som varierer fra 60 til 80 bar, avhengig av modell. Den utviklet en effekt på ca 33 kW .
Hvis vi sammenligner Mékarski-trikken med det som kan være et moderne komprimert luftbil som veier 700 kg utstyrt med en karbonfibertank på 300 liter på 300 bar (samme teknologi som de som brukes til kjøretøy som kjører på CNG ), vil dette kjøretøyet ha luft reserve (produktvolum × trykk) omtrent tre ganger lavere og ville veie tjue ganger mindre enn Mekarski-trikken. Den ville derfor ha et energi / vektforhold seks ganger større og kunne dermed ha en rimelig rekkevidde i bybruk (flere titalls kilometer).
Rekkeviddeberegningen for et motorkjøretøy må ta hensyn til det faktum at rullemotstanden til dekk er markant høyere enn for kjøretøyer på metallskinner som trikker, noe som bidrar til å redusere rekkevidden. Avstandsberegningen må også ta hensyn til den hyppige variasjonen i hastighet (akselerasjon, bremsing) av kjøretøyer i urbane områder, en kilde til stort energitap hvis det ikke er noe energigjenvinningssystem.
Et teoretisk estimat er mulig: ifølge beregningene presentert i artikkelen Pneumatisk energi representerer trykkluft ved 300 bar lagret i en 300 liters tank, med en full tank, 126 kg luft (tatt som en ideell gass).
Med en utvidelse uten utveksling med utsiden ( adiabatisk utvidelse ), kan den ideelt sett produsere en energi på 27 MJ = 7,5 kWh : dette er den " adiabatiske " energien i reservoaret.
Ideelt sett kunne den produserte mekaniske energien nå maksimalt 51 MJ = 14,2 kWh med en isoterm ekspansjon ; for dette ville det være nødvendig å la luften som ble avkjølt av avtrekkeren varmes opp av mediet. Tilleggsenergien sammenlignet med den adiabatiske utvidelsen er i dette tilfellet 24 MJ = 6,7 kWh , det vil si 89% mer, og det tilsvarer den brennende energien, eller varmen som mediet vil føre med seg under en veldig langsom ekspansjon, som forklart i definisjonen av en isoterm ekspansjon .
Disse verdiene er verdiene i det ideelle tilfellet; faktisk er motortap sannsynligvis i størrelsesorden 50% (eller enda mer), ettersom de beste stempelmotorene oppnår 50% drivstoffeffektivitet. Den tilgjengelige energien er derfor mellom 3,7 kWh (adiabatisk ekspansjon) og 7 kWh (isotermisk ekspansjon).
Sammenlignet med en forbrenningsmotor har en trykkluftmotor bare 3 årsaker til energitap:
En trykkluftmotor blir ikke varm, den avkjøles: den mister derfor ikke varmen.
En trykkluftmotor trenger ikke tilbehøret som er nødvendig for forbrenningsmotorer: det er ikke behov for en starter, kjølekrets, elektrisk tenning eller varmekrets osv. Energien til å drive alt dette tilbehøret er ikke bortkastet.
Friksjonstap blir til varme (se Effektivitet til en forbrenningsmotor # Hva skyldes tapene i en motor? ) Og blir faktisk absorbert av motoren på nytt fordi den er kaldere enn det omgivende miljøet.
Med de foregående forutsetningene, hvis motoren har en effekt på 20 kW , eller tilsvarende 27 hk , vil kjøretiden med full effekt være omtrent 11 minutter (adiabatisk utvidelse) og 21 minutter (isoterm ekspansjon). I praksis, for å flytte et lett urbane kjøretøy (700 kg ) som ruller med en gjennomsnittsfart på 50 km / t , er den gjennomsnittlige energiforbruket nærmere 5 kWh (18 MJ ) per 100 km, noe som kan tillate en rekkevidde på mellom 70 og 140 km .
Gitt disse forskjellige usikkerhetene, må vi vente på den faktiske tilgjengeligheten av disse nye trykkluftbilene for å måle deres effektive autonomi.
Den regenerative bremsingen kan konvertere energi som normalt forsvinner som varme under retardasjon, og bruke kompressibiliteten til luft for å lade opp reservoarene. Dette forbedrer rekkevidden betydelig, spesielt på reiser med hyppige stopp, men erstatter ikke bremsene for rask og fullstendig stopp av kjøretøyet.