Пневматический двигатель ( воздушный двигатель ) или двигатель сжатого воздуха — это тип двигателя , который выполняет механическую работу путем расширения сжатого воздуха . Пневматические двигатели обычно преобразуют энергию сжатого воздуха в механическую работу посредством линейного или вращательного движения. Линейное движение может исходить от мембранного или поршневого привода, тогда как вращательное движение обеспечивается либо лопастным пневмодвигателем, поршневым пневмодвигателем, воздушной турбиной или двигателем шестеренчатого типа.
Пневматические двигатели существовали во многих формах за последние два столетия, варьируясь по размеру от ручных двигателей до двигателей мощностью до нескольких сотен лошадиных сил. Некоторые типы полагаются на поршни и цилиндры; другие на щелевые роторы с лопастями (лопастные двигатели), а третьи используют турбины. Многие двигатели на сжатом воздухе улучшают свою производительность за счет нагрева входящего воздуха или самого двигателя. Пневматические двигатели нашли широкий успех в индустрии ручных инструментов [1] , но также используются стационарно в широком спектре промышленных применений. Постоянно предпринимаются попытки расширить их использование в транспортной отрасли. Однако пневматические двигатели должны преодолеть неэффективность, прежде чем их будут рассматривать как жизнеспособный вариант в транспортной отрасли.
Для достижения линейного движения сжатым воздухом чаще всего используется система поршней. Сжатый воздух подается в герметичную камеру, в которой находится вал поршня. Также внутри этой камеры вокруг вала поршня намотана пружина, чтобы удерживать камеру полностью открытой, когда воздух не закачивается в камеру. По мере подачи воздуха в камеру сила на валу поршня начинает преодолевать силу, оказываемую на пружину. [2] По мере того, как в камеру подается больше воздуха, давление увеличивается, и поршень начинает двигаться вниз по камере. Когда он достигает своей максимальной длины, давление воздуха сбрасывается из камеры, и пружина завершает цикл, закрывая камеру, чтобы вернуться в исходное положение.
Поршневые двигатели наиболее часто используются в гидравлических системах. По сути, поршневые двигатели такие же, как и гидравлические двигатели, за исключением того, что они используются для преобразования гидравлической энергии в механическую [3] энергию. [4]
Поршневые двигатели часто используются в серии из двух, трех, четырех, пяти или шести цилиндров, заключенных в корпус. Это позволяет поршням выдавать больше мощности, поскольку несколько двигателей синхронизированы друг с другом в определенные моменты своего цикла.
Практический механический КПД, достигаемый поршневым пневмодвигателем, составляет 40–50% [5] .
.jpg/1280px-Campus_Party_Europa_Dia_2_(4523750986).jpg)
Тип пневматического двигателя, известный как роторный лопастной двигатель, использует воздух для создания вращательного движения вала. Вращающийся элемент представляет собой щелевой ротор, который установлен на приводном валу. Каждый паз ротора оснащен свободно скользящей прямоугольной лопастью. [4] Лопасти выдвигаются к стенкам корпуса с помощью пружин, кулачкового механизма или давления воздуха, в зависимости от конструкции двигателя. Воздух нагнетается через вход двигателя, который толкает лопасти, создавая вращательное движение центрального вала. Скорость вращения может варьироваться от 100 до 25 000 об/мин в зависимости от нескольких факторов, которые включают величину давления воздуха на входе двигателя и диаметр корпуса. [2]
Одним из применений лопастных пневмодвигателей является запуск крупных промышленных дизельных или газовых двигателей. Сохраненная энергия в виде сжатого воздуха, азота или природного газа поступает в герметичную камеру двигателя и оказывает давление на лопасти ротора. Это заставляет ротор вращаться с высокой скоростью. Поскольку маховику двигателя требуется большой крутящий момент для запуска двигателя, используются редукторы. Редукторы создают высокие уровни крутящего момента при меньшем количестве потребляемой энергии. Эти редукторы позволяют маховику двигателя генерировать достаточный крутящий момент, пока он находится в зацеплении с шестерней пневмодвигателя или воздушного стартера.
Воздушные турбины вращают бор в высокоскоростных стоматологических наконечниках со скоростью более 180 000 об/мин, но с ограниченным крутящим моментом . Турбина достаточно мала, чтобы поместиться в наконечнике наконечника, не увеличивая его вес.
Широкое применение пневматические двигатели находят в ручных инструментах, ударных гайковертах, импульсных инструментах, отвертках, гайковертах, дрелях, шлифовальных машинах, шлифовальных машинах и т. д. Пневматические двигатели также используются стационарно в широком спектре промышленных применений. Хотя общая энергоэффективность пневматических инструментов низкая и им требуется доступ к источнику сжатого воздуха, они обладают рядом преимуществ по сравнению с электрическими инструментами. Они обеспечивают большую плотность мощности (меньший пневматический двигатель может обеспечить такое же количество мощности, как и более крупный электродвигатель), не требуют вспомогательного регулятора скорости (что добавляет им компактности), выделяют меньше тепла и могут использоваться в более нестабильных атмосферах, поскольку им не требуется электроэнергия [6] и они не создают искр. Их можно нагружать до остановки с полным крутящим моментом без повреждений. [7] Эффективность роторно-поршневого двигателя сильно зависит от потерь механической энергии. Величина механических потерь, по разным оценкам, может составлять 20% от энергии, подаваемой в двигатель. [8] В то же время экспериментально было показано, что КПД двигателя можно повысить за счет использования антифрикционных присадок к смазочному маслу. [9]
Исторически многие люди пытались применить пневматические двигатели в транспортной отрасли. Гай Негре, генеральный директор и основатель Zero Pollution Motors, был пионером в этой области с конца 1980-х годов. [10] Недавно Engineair также разработала роторный двигатель для использования в автомобилях. Engineair размещает двигатель непосредственно рядом с колесом транспортного средства и не использует промежуточных частей для передачи движения, что означает, что почти вся энергия двигателя используется для вращения колеса. [11]
Пневматический двигатель был впервые применен в области транспорта в середине 19 века. Хотя мало что известно о первом зарегистрированном транспортном средстве на сжатом воздухе, говорят, что французы Андро и Тесси из Моте управляли автомобилем, работающим на пневматическом двигателе, на испытательном треке в Шайо, Франция, 9 июля 1840 года. Хотя сообщалось, что испытание автомобиля прошло успешно, пара не стала изучать дальнейшее расширение конструкции. [12]
Первым успешным применением пневматического двигателя в транспорте был воздушный двигатель системы Мекарски, используемый в локомотивах. Инновационный двигатель Мекарски преодолел охлаждение, которое сопровождает расширение воздуха, нагревая воздух в небольшом котле перед использованием. Tramway de Nantes , расположенный в Нанте, Франция, был известен тем, что был первым, кто использовал двигатели Мекарски для питания своего парка локомотивов. Трамвай начал работу 13 декабря 1879 года и продолжает работать по сей день, хотя пневматические трамваи были заменены в 1917 году более эффективными и современными электрическими трамваями.
Американец Чарльз Ходжес также добился успеха с пневматическими двигателями в локомотивной промышленности. В 1911 году он спроектировал пневматический локомотив и продал патент компании HK Porter в Питтсбурге для использования в угольных шахтах. [13] Поскольку пневматические двигатели не используют сгорание, они были гораздо более безопасным вариантом в угольной промышленности. [12]
Многие компании [ кто? ] заявляют, что разрабатывают автомобили на сжатом воздухе , но ни одна из них на самом деле не доступна для покупки или даже для независимого тестирования.
Ударные гайковерты , импульсные инструменты, динамометрические ключи , отвертки , дрели , шлифовальные машины , шлифовальные машины , шлифовальные машины , стоматологические бормашины , шиномонтажные станки и другие пневматические инструменты используют различные пневмодвигатели . К ним относятся двигатели лопастного типа, турбины и поршневые двигатели.
Наиболее успешные ранние формы самоходных торпед использовали сжатый воздух высокого давления , хотя на смену ему пришли двигатели внутреннего или внешнего сгорания, паровые двигатели (работающие на каталитическом разложении перекиси водорода) или электродвигатели.
Двигатели сжатого воздуха использовались в трамваях и маневровых локомотивах, и в конечном итоге нашли успешную нишу в локомотивах для горнодобывающей промышленности, хотя в конечном итоге их заменили электропоезда под землей. [14] С годами конструкции становились все сложнее, что привело к появлению двигателя с тройным расширением и воздуховоздушными подогревателями между каждой ступенью. [15] Для получения дополнительной информации см. Fireless locomotive и Mekarski system .
.JPG/1280px-L_Illustration_-_Tramway_M%C3%A9karski_des_Tramways_Nord_(Novembre_1875).JPG)
Водяные ракеты используют сжатый воздух для приведения в действие струи воды и создания тяги; их используют в качестве игрушек.
В настоящее время наблюдается определенный интерес к разработке воздушных автомобилей . Для них было предложено несколько двигателей, хотя ни один из них не продемонстрировал производительности и долговечности, необходимых для личного транспорта.
Energine Corporation была южнокорейской компанией, которая заявляла о поставке полностью собранных автомобилей, работающих на гибридном двигателе сжатого воздуха и электричества. Двигатель сжатого воздуха используется для активации генератора , который расширяет возможности автономной работы автомобиля. Генеральный директор был арестован за мошенническое продвижение воздушных двигателей с помощью ложных заявлений. [17]
Австралийская компания EngineAir разрабатывает роторный двигатель, работающий на сжатом воздухе, который называется The Di Pietro motor . Концепция двигателя Di Pietro основана на роторном поршне. В отличие от существующих роторных двигателей, двигатель Di Pietro использует простой цилиндрический роторный поршень (привод вала), который вращается с небольшим трением внутри цилиндрического статора. [18]
Его можно использовать в лодках, автомобилях, грузовых автомобилях и других транспортных средствах. Для преодоления трения требуется всего 1 фунт на квадратный дюйм (≈ 6,8 кПа ) давления. [19] [20] Двигатель также был представлен в программе ABC's New Inventors в Австралии 24 марта 2004 года. [21]
Транспортные средства K'Airmobiles были предназначены для коммерциализации в рамках проекта, разработанного во Франции в 2006–2007 годах небольшой группой исследователей. Однако проект не смог собрать необходимые средства.
Следует отметить, что в то же время команда признала физическую невозможность использования сжатого воздуха, хранящегося на борту, из-за его низкой энергоемкости и тепловых потерь, возникающих в результате расширения газа.
В настоящее время проект, использующий запатентованный «K'Air Generator», преобразованный для работы в качестве двигателя на сжатом газе, должен быть запущен в 2010 году благодаря североамериканской группе инвесторов, но с целью сначала разработать зеленую энергетическую систему. [22]
В оригинальном воздушном двигателе Nègre один поршень сжимает воздух из атмосферы, чтобы смешать его с хранящимся сжатым воздухом (который будет резко охлаждаться по мере расширения). Эта смесь приводит в движение второй поршень, обеспечивая фактическую мощность двигателя. Двигатель MDI работает с постоянным крутящим моментом, и единственный способ изменить крутящий момент на колесах — использовать шкивную передачу постоянного изменения, теряя некоторую эффективность. Когда транспортное средство останавливается, двигатель MDI должен быть включен и работать, теряя энергию. В 2001–2004 годах MDI перешла на конструкцию, похожую на ту, что описана в патентах Regusci (см. ниже), которые датируются 1990 годом.
В 2008 году сообщалось, что индийский производитель автомобилей Tata рассматривал двигатель сжатого воздуха MDI в качестве опции для своих недорогих автомобилей Nano. [23] В 2009 году Tata объявила, что разработка автомобиля с сжатым воздухом оказалась сложной из-за его малого запаса хода и проблем с низкими температурами двигателя.
Пневматический квазитурбинный двигатель представляет собой беспоршневой роторный двигатель, работающий на сжатом воздухе , в котором используется ротор ромбовидной формы , боковые стороны которого шарнирно соединены в вершинах.
Квазитурбина продемонстрировала работу пневматического двигателя, использующего сжатый воздух. [24]
Он также может использовать преимущество усиления энергии, возможного за счет использования имеющегося внешнего тепла, например, солнечной энергии . [25]
Квазитурбина вращается при давлении от 0,1 атм (1,47 фунта на квадратный дюйм).
Поскольку квазитурбина представляет собой чисто расширительный двигатель, в то время как двигатель Ванкеля и большинство других роторных двигателей таковыми не являются, она хорошо подходит в качестве двигателя сжатой жидкости, воздушного двигателя или пневмодвигателя. [25]
Версия воздушного двигателя Армандо Регусси соединяет систему трансмиссии непосредственно с колесом и имеет переменный крутящий момент от нуля до максимума, что повышает эффективность. Патенты Регусси датируются 1990 годом. [26]
Psycho-Active разрабатывает многотопливное/воздушно-гибридное шасси, которое должно стать основой для линейки автомобилей. Заявленная производительность составляет 50 л.с./литр. Используемый ими двигатель сжатого воздуха называется DBRE или Ducted Blade Rotary Engine. [27] [28]
В 1881 году Милтон М. Конгер запатентовал и, предположительно, построил двигатель, работавший на сжатом воздухе или паре, который использовал гибкую трубку , образующую клиновидную или наклонную стенку или упор в задней части тангенциального подшипника колеса и приводящую его в движение с большей или меньшей скоростью в зависимости от давления движущей среды. [29]
![Пневматический локомотив с прикрепленным сосудом под давлением, использовавшийся во время строительства Готардского железнодорожного туннеля в 1872-1880 годах.[16]](http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/07/CompressedAirLocomotive_Section1_AdolpheBraun1811to1877.jpg/1280px-CompressedAirLocomotive_Section1_AdolpheBraun1811to1877.jpg)
{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
Медиа, связанные с Пневматический двигатель на Wikimedia Commons