Funzionamento e applicazioni di motori ad aria compressa

The growing interest in renewable energy sources and the need to reduce pollutant emissions in the transportation sector has stimulated research to find alternatives to the use of fossil-fueled internal combustion engines. Low-emission vehicles currently on the market are primarily based on electric motors or systems powered by hydrogen or derived fuels. Compressed Air Motors (CAM) are an emerging technology that uses air previously compressed inside tanks mounted on the vehicle to generate the mechanical power needed to drive the vehicle. The aim of this research is to compare the performance of compressed air motors, including in relation to more common internal combustion engines and electric motor technologies. This comparison is made on the basis of data presented in the literature. Compressed air engines are divided into two types: volumetric engines and turbine engines. Volumetric motors offer greater compactness and high torque, but have low conversion efficiency (at low speeds and an inlet pressure of 2 [MPa], they generate 55 [Nm] with an efficiency of 25%). In contrast, turbine motors achieve higher efficiency (30 to 50%), but at the expense of a larger size. In comparing these two types, a relevant aspect is the possibility of converting a conventional internal combustion engine into an air engine by modifying/replacing the inlet and exhaust valve system. Studies on modifications to the inlet valve and heating of the air before entering the expansion chamber in volumetric engines, as well as the addition of multiple stages of expansion in turbine engines, have led to significant performance gains, with improvements in power and efficiency of up to 10 percent. At present, this technology is uncompetitive in the automotive field but presents greater opportunities for application where there is a risk of fire, high temperature or explosion, due to its greater safety compared to common internal combustion engines and electric motors.

Il crescente interesse verso le fonti di energia rinnovabile e la necessità di ridurre le emissioni inquinanti nel settore dei trasporti ha stimolato la ricerca a individuare alternative all’utilizzo dei motori a combustione interna alimentati da combustibili fossili. I veicoli con basse emissioni attualmente presenti sul mercato sono basati principalmente su motori elettrici o su sistemi alimentati ad idrogeno o combustibili derivati. I motori ad aria compressa (Compressed Air Motor – CAM) sono una tecnologia emergente che utilizza l’aria preventivamente compressa all'interno di serbatoi montati sul veicolo per generare l'energia meccanica necessaria alla trazione del veicolo. Questa ricerca è atta a confrontate le prestazioni di motori ad aria compressa, anche in relazione alle più comuni tecnologie dei motori a combustione interna ed elettrici. Tale confronto viene eseguito sulla base di dati presentati in letteratura. I motori ad aria compressa si dividono in due tipologie: motori volumetrici e motori a turbina. I motori volumetrici offrono maggiore compattezza e un'elevata coppia, ma presentano una bassa efficienza di conversione (a basse velocità e a una pressione di ingresso di 2 [MPa], generano 55 [Nm] con un’efficienza del 25\%). Al contrario, i motori a turbina raggiungono un’efficienza superiore (dal 30 al 50%), ma a scapito di un ingombro maggiore. Nel confronto tra queste due tipologie, un aspetto rilevante è la possibilità di convertire un tradizionale motore a combustione interna in un motore ad aria compressa modificando/sostituendo il sistema di valvole di aspirazione e scarico. Studi sulle modifiche alla valvola di ingresso e sul riscaldamento dell’aria prima dell’entrata nella camera di espansione nei motori volumetrici, così come l’aggiunta di più stadi di espansione nei motori a turbina, hanno portato a un significativo aumento delle prestazioni, con miglioramenti in termini di potenza ed efficienza fino al 10%. Al momento questa tecnologia è poco competitiva nel campo degli autoveicoli ma presenta maggiori opportunità di applicazione dove ci sono rischi di incendi, alte temperature o esplosioni, grazie alla maggiore sicurezza rispetto ai comuni motori a combustione interna e ai motori elettrici.