/ 11
ХудшийЛучший
То, что пневмомобили смогут стать полноценной заменой бензиновому и дизельному транспорту, пока вызывает сомнения. Однако у двигателей, работающих на сжатом воздухе есть свой безусловный потенциал.Автомобили на сжатом воздухе используют электрический насос – компрессор для сжатия воздуха до высокого давления (300 – 350 Атм.) и аккумулируют его в резервуаре. Используя его для движения поршней, на подобии двигателя внутреннего сгорания, выполняется работа и автомобиль движется на экологически чистой энергии.
1. Новизна технологии
Несмотря на то, что автомобиль с воздушным двигателем кажется инновационной и даже футуристической разработкой, сила воздуха использовалась в управлении автомобилями еще в конце девятнадцатого – начале двадцатого века. Однако точкой отсчета в истории развития воздушных двигателей нужно считать семнадцатый век и разработки Дэни Папина для Академии наук Великобритании. Таким образом, принцип работы воздушного двигателя открыт более трехсот лет назад, и тем более странным кажется тот факт, что эта технология так долго не находила применения в автомобильной промышленности.
2. Эволюция автомобилей с воздушным двигателем
Первоначально двигатели, работающие на сжатом воздухе, использовались в общественном транспорте. В 1872 году Луи Мекарски создал первый пневматический трамвай. Затем, в 1898 году Хоудли и Найт усовершенствовали конструкцию, продлив цикл работы двигателя. В числе отцов-основателей двигателя на сжатом воздухе также нередко упоминают имя Чарльза Портера.
3. Годы забвения
Принимая во внимание долгую историю воздушного двигателя, может показаться странным, что эта технология не получила должного развития в двадцатом веке. В тридцатых годах был спроектирован локомотив с гибридным двигателем, работавшим на сжатом воздухе, однако доминирующей тенденцией в автомобилестроении стала установка двигателей внутреннего сгорания. Некоторые историки прозрачно намекают на существование «нефтяного лобби»: по их мнению, могущественные компании, заинтересованные в росте рынка сбыта продуктов нефтепереработки приложили все возможные усилия, чтобы исследования и разработки в сфере создания и усовершенствования воздушных двигателей никогда не были опубликованы.
4. Преимущества двигателей, работающих на сжатом воздухе
В характеристиках воздушных двигателей легко заметить множество преимуществ в сравнении с двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это дешевизна и очевидная безопасность воздуха, как источника энергии. Далее, упрощается конструкция двигателя и автомобиля в целом: в нем отсутствуют свечи зажигания, бензобак и система охлаждения двигателя; исключается риск протечки зарядных батарей, а также загрязнения природы автомобильными выхлопами. В конечном счете, при условии массового производства, стоимость двигателей на сжатом воздухе, скорее всего, окажется ниже, чем стоимость бензиновых двигателей.
Однако не обойдется и без ложки дегтя: согласно проведенным экспериментам, двигатели на сжатом воздухе в работе оказались более шумными, чем бензиновые двигатели. Но это не главный их недостаток: к сожалению, по своей производительности они также отстают от двигателей внутреннего сгорания.
5. Будущее автомобилей с воздушным двигателем
Новая эра для автомобилей, работающих на сжатом воздухе, началась в 2008-м году, когда бывший инженер Формулы 1 Гай Негре представил свое детище под названием CityCat – автомобиль с воздушным двигателем, который может развивать скорость до 110 км/ч и преодолевать без подзарядки расстояние в 200 километров Чтобы превратить пусковой режим пневматического привода в рабочий, было потрачено более 10 лет. Основанная с группой единомышленников компания стала называться Motor Development Internation. Ее первоначальный проект не был пневмомобилем в полном смысле этого слова. Первый двигатель Гая Негре мог работать не только на сжатом воздухе, но также на природном газе, бензине и дизеле. В моторе MDI процессы сжатия, воспламенения горючей смеси, а также сам рабочий ход проходят в двух цилиндрах разного объема, соединяющихся меж собой сферической камерой.
Испытывали силовую установку на хетчбэке Citroen AX. На низких скоростях (до 60 км/ч), когда потребляемая мощность не превышала 7 кВт, автомобиль мог передвигаться только на энергии сжатого воздуха, но при скорости выше указанной отметки силовая установка автоматически переходила на бензин. В этом случае мощность двигателя вырастала до 70 лошадиных сил. Расход жидкого топлива в шоссейных условиях составил всего 3 литра на 100 км - результат, которому позавидует любой гибридный автомобиль.
Однако команда MDI не стала останавливаться на достигнутом результате, продолжив работу над усовершенствованием двигателя на сжатом воздухе, а именно над созданием полноценного пневмомобиля, без подпитки газового или жидкого топлива. Первым стал прототип Taxi Zero Pollution. Этот автомобиль «почему-то» не вызвал интерес у развитых стран, в то время сильно зависящих от нефтяной промышленности. Зато Мексика заинтересовалась этой разработкой, и в 1997 году заключила договор о постепенной замене таксопарка Мехико (одного из самых загрязненных мегаполисов мира) на «воздушный» транспорт.
Следующим проектом стал тот самый Airpod с полукруглым стеклопластиковым кузовом и 80-килограммовыми баллонами со сжатым воздухом, полный запас которых хватал на 150-200 километров пути. Однако полноценным серийным пневмомобилем стал проект OneCat - более современная интерпретация мексиканского такси Zero Pollution. В легких и безопасных карбоновых баллонах под давлением в 300 бар может храниться до 300 литров сжатого воздуха.
Принцип работы двигателя MDI следующий: в малый цилиндр засасывается воздух, где он сжимается поршнем под давлением 18-20 бар и разогревается; подогретый воздух идет в сферическую камеру, где смешивается с холодным воздухом из баллонов, который мгновенно расширяясь и нагреваясь, увеличивает давление на поршень большого цилиндра, передающего усилие на коленвал.
В этих автомобилях нет ни баков с топливом, ни аккумуляторов, ни солнечных батарей. Не нужны этим машинам ни водород, ни дизтопливо, ни бензин. Надёжность? Да тут почти нечему ломаться. Но кто сегодня верит в идеальное решение?
Первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию, недавно приступил к своим обязанностям в Мельбурне.
Аппарат построен австралийской фирмой Engineair инженера Анджело Ди Пьетро (Angelo Di Pietro).
Главной проблемой, над которой задумался изобретатель, было снижение массы двигателя при сохранении высокой мощности и полноты использования энергии сжатого воздуха.
Здесь нет никаких цилиндров и поршней, нет и треугольного ротора, как у двигателя Ванкеля, или турбинного колеса с лопатками.
Вместо этого в корпусе мотора вращается кольцо. Изнутри оно опирается на два ролика, эксцентрично установленных на валу.
Двигатель австралийского итальянца Ди Пьетро в разрезе (фото с сайта gizmo.com.au).
6 отдельных переменных объёмов в этой расширительной машине отсекают подвижные полукруглые лепестки, установленные в разрезах корпуса.
Есть ещё система распределения воздуха по камерам. Вот почти и всё.
Кстати, двигатель Ди Пьетро выдаёт максимальный крутящий момент сразу — даже в неподвижном состоянии и раскручивается до вполне приличных оборотов, так что особой трансмиссии с переменным передаточным числом ему не нужно.
Так можно устроить привод легкового автомобиля по системе Ди Пьетро. Два роторных пневмодвигателя, по одному на колесо. И никакой трансмиссии (иллюстрация с сайта gizmo.com.au).
Ну, а простота конструкции, малые размеры и низкий её вес — это ещё один плюс в копилку всей идеи.
Что в итоге? Вот, к примеру, пневмокар от Engineair, который проходит испытания на складе одного из продуктовых магазинов австралийской столицы.
Грузоподъёмность этой тележки — 500 килограммов. Объём баллонов с воздухом — 105 литров. Пробег на одной заправке — 16 километров. При этом заправка занимает несколько минут. В то время, как зарядка аналогичного электромобиля от сети заняла бы часы.
Странная связь поршня и коленвала во французском пневмодвигателе позволяет поршню останавливаться в мёртвой точке при сохранении равномерного вращения выходного вала двигателя (иллюстрация с сайта mdi.lu).
Логично представить, как подобную установку большей мощности можно смонтировать на небольшом легковом автомобиле, предназначенном для движения главным образом в черте города.
Тут нужно упомянуть важное преимущество пневмомобилей перед электромобилями, которых также прочат на роль перспективного средства передвижения в городе, заботящемся о чистоте воздуха.
Аккумуляторы, даже простые свинцово-кислотные — дороже баллонов и являются загрязнителями окружающей среды после выработки ресурса. Аккумуляторы тяжелы, да и электродвигатели — тоже. Что повышает расход энергии машины.
Правда, при сжатии воздуха в компрессорах станции «пневмозаправки» он нагревается, и это тепло без толку греет атмосферу. Это минус в плане общих затрат и расхода энергии (того же ископаемого топлива) на заправку подобных машин.
Но всё же во многих ситуациях (для центров мегаполисов) лучше примириться с этим, получив взамен автомобиль с нулевым выхлопом по умеренной цене.
Пневматические CityCATs Taxi и MiniCATs от Motor Development International (фото с сайта mdi.lu).
Стало быть, у Ди Пьетро есть основания полагать, что именно ему удастся вывести автомобили, работающие на воздухе — на «большую орбиту».
Напомним, идея использовать сжатый воздух в качестве энергоносителя на транспортном средстве — очень стара.
Один из таких патентов был выдан в Великобритании в 1799 году. И, как сообщает А. В. Моравский в книге «История автомобиля», в конце XIX века, с созданием надёжных баллонов, рассчитанных на высокое давление, такие машины получили некоторое распространение в Европе и США — как внутризаводской технологический транспорт и даже — как городские грузовики.
Однако энергоёмкость сжатого воздуха, даже если давление доводили до 300 атмосфер, была низка. Бензин выглядел всяко выгоднее, а о загрязнении воздуха едва ли кто-то тогда думал.
Потребовалось ещё сто с лишком лет, чтобы новое поколение изобретателей вновь вывело пневмомобили на дороги.
В этой новой «воздушной» волне австралийский инженер не был первым. Скажем, мы уже рассказывали о французе Ги Негрэ (Guy Negre).
Его компания — Motor Development International , занятая разработкой и продвижением оригинального пневмодвигателя Негрэ и автомобилей на его основе — по-прежнему полна радужных надежд, но о серийном производстве пока ничего не слышно, хотя опытных образцов сделано немало.
Конструкция его двигателя (а, по сути — это поршневой мотор), заметим, постоянно претерпевает изменения. В частности, нужно отметить интересный механизм связи поршня и коленвала, позволяющий поршню на время останавливаться в мёртвой точке и затем с ускорением срываться вниз — при равномерном вращении выходного вала.
Силовой агрегат машин CATs (иллюстрация с сайта mdi.lu).
Эта «запинка» нужна, чтобы успеть подать в цилиндр больше воздуха и затем полнее использовать его расширение.
Кстати, ещё одна здравая идея предложена французами.
Автомобильчики Негрэ могут заправляться не только напрямую от компрессорной станции, но и от розетки — как электромобили.
При этом генератор, установленный на пневмодвигателе, превращается в электромотор, а сам пневмодвигатель — в компрессор.
Группа наших специалистов работает над разработкой пневматических приводов движения в области их применения на автомобильном транспорте и в приводах различных рабочих машин. Ими проделана огромная работа в этом направлении, но сначала можно сказать несколько слов о сегодняшней мировой тенденции в этом направлении работ.
Автомобили, работающие на сжатом воздухе.
Индийский автоконцерн Tata изучая возможность создания суперэкологичного легкового транспорта, работающего на сжатом воздухе, подписал соглашение с французской компанией MDI, которая разрабатывает экологически чистые двигатели, использующие в качестве топлива только сжатый воздух. Tata приобрела права на эти технологии для Индии и теперь изучает, где и как их можно использовать. Таtа уже давно готовила общественность к экологически чистому транспорту, который получает все большее распространение в Индии, где наблюдается настоящий автомобильный бум.
"Эта концепция как способ управления автомобилем очень интересна", - говорит управляющий директор индийской компании Рави Кант. Компания искала возможности для применения технологии "сжатого воздуха" для мобильных и стационарных целей, добавляет Кант.
И вот очередная сенсация от индийских производителей. Они запускают в серийное производство модель «Нано» по имени OneCAT, который будет иметь уже не бензиновый, а пневмомотор, работающий на сжатом воздухе. Заявленная цена революционной новинки — около пяти тысяч долларов. Под водительским сиденьем «Нано» стоит аккумулятор, а передний пассажир сидит прямо на топливном баке. Если заправлять автомобиль воздухом на компрессорной станции, это займет три-четыре минуты. «Подкачка» с помощью мини-компрессора, работающего от розетки, длится три-четыре часа. «Воздушное топливо» стоит относительно дешево: если перевести его в бензиновый эквивалент, то получится, что машина расходует около литра на 100 км пути.
Экологически чистый микрогрузовичок Gator от компании Engineair - первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию, недавно приступил к своим обязанностям в Мельбурне. Грузоподъёмность этой тележки - 500 кг. Объём баллонов с воздухом - 105 литров. Пробег на одной заправке - 16 км. При этом заправка занимает несколько минут. В то время, как зарядка аналогичного электромобиля от сети заняла бы часы. Кроме того, аккумуляторы дороже баллонов, намного тяжелее их и являются загрязнителями окружающей среды после выработки ресурса и в процессе эксплуатации.
Такого рода авто уже работают и в гольф-клубах. Для передвижения игроков по полю лучшего средства не найти, ведь в роли выхлопных газов у пневмомобиля выступает все тот же воздух.
Идея пневмопривода проста — в движение машину приводит не сгорающая в цилиндрах мотора бензиновая смесь, а мощный поток воздуха из баллона (давление в баллоне — около 300 атмосфер). В этих автомобилях нет ни баков с топливом, ни аккумуляторов, ни солнечных батарей. Не нужны им ни водород, ни дизтопливо, ни бензин. Надёжность? Да тут почти нечему ломаться.
Так можно устроить привод легкового автомобиля по системе Ди Пьетро. Два роторных пневмодвигателя, по одному на колесо. И никакой трансмиссии - ведь пневмодвигатель выдаёт максимальный крутящий момент сразу - даже в неподвижном состоянии и раскручивается до вполне приличных оборотов, так что особой трансмиссии с переменным передаточным числом ему не нужно. Ну, а простота конструкции - это ещё один плюс в копилку всей идеи.
Воздушный двигатель имеет и ещё одно важное достоинство: он практически не требует профилактики, нормативный пробег между двумя техосмотрами составляет ни много ни мало 100 тысяч километров.
Большой плюс пневмомобиля и в том, что он практически не нуждается в масле — мотору хватит литра «смазки» на 50 тысяч километров пробега (для обычного авто потребуется порядка 30 литров масла). Не нужен пневмомобилю и кондиционер — отработанный мотором воздух имеет температуру от нуля до пятнадцати градусов Цельсия. Этого вполне достаточно для охлаждения салона, что для жаркой Индии, где планируют выпускать машину, немаловажно.
В Штатах должны строить модель CityCAT. Это шестиместная легковушка с большим багажником. Вес машинки составит 850 килограммов, длина — 4,1 м, ширина — 1,82 м, высота — 1,75 м. Это авто сможет проезжать в городе до 60 километров только на одном сжатом воздухе и сможет разгоняться до 56 километров в час.
4 баллона, выполненные из углепластика с кевларовой оболочкой, длиной в 2 и диаметром в четверть метра каждый, расположены под днищем, вмещают 400 литров сжатого воздуха под давлением в 300 бар. Воздух высокого давления либо закачивается в них на специальных компрессорных станциях, либо производится бортовым компрессором при его подключении к стандартной электросети напряжением в 220 вольт. В первом случае заправка занимает около 2-х минут, во втором - около 3,5 часов. Энергозатраты в обоих случаях составляют около 20 кВт/ч, что при нынешних ценах на электроэнергию эквивалентно стоимости полутора литров бензина. Немало преимуществ имеет автомобиль на сжатом воздухе и перед электромобилем: он значительно легче, заряжается вдвое быстрее и обладает аналогичным запасом хода.
Пневматические CityCAT’s Taxi и MiniCAT’s от Motor Development International.
Разработчики воздушного двигателя из компании MDI подсчитали суммарный КПД в цепочке "нефтеперегонный завод - автомобиль" для трёх видов привода - бензинового, электрического и воздушного. И оказалось, что КПД воздушного привода составляет 20 процентов, что в два с лишним раза превышает КПД стандартного бензинового мотора и в полтора раза - КПД электропривода. Кроме того, экологический баланс выглядит и ещё лучше, если использовать возобновляемые источники энергии.
Между тем, по данным фирмы MDI, в одной лишь Франции уже собрано более 60-ти тысяч предварительных заказов на воздушный автомобиль. Построить у себя заводы по его производству намерены Австрия, Китай, Египет и Куба. Огромный интерес к новинке проявили власти мексиканской столицы: как известно, Мехико является одним из самых загазованных мегаполисов мира, поэтому отцы города намерены как можно скорее заменить все 87 тысяч бензиновых и дизельных такси экологически чистыми французскими автомобилями.
Аналитики считают, что автомобиль на сжатом воздухе, неважно кем он создан (Tata, Engineair, MDI либо другими), вполне может занять свободную нишу на рынке подобно электромобилям, которые уже разработали или только тестируют другие производители.
Пневмопривод, за и против. Выводы, сделанные на основе работы наших специалистов
Пневмоприводные машины - это тема, на самом деле, не настолько перспективна, как о ней говорят индийские, французские или американские «эксперты», хотя и не лишена некоторых плюсов.
Сам пневмопривод не решает проблемы с топливом. Дело в том, что запас энергии сжатого воздуха очень небольшой и такой привод способен эффективно решать топливную проблему лишь для некоторых типов машин: пассажирских и грузовых мини-каров, погрузчиков и наиболее легких городских автомобилей (например - специальных такси). И не более того, если говорить о чистом пневматическом, а не о гибридном приводе (гибридный привод - это параллельная, но абсолютно отдельная тема).
Разрабатывая пневмопривод машины, нужно заниматься не пневмодвигателем, а именно пневмоприводом - целой системой, в которой пневмодвигатель является лишь составной частью. Хороший пневмопривод должен включать в себя несколько отдельных узлов:
1. Собственно пневмодвигатель - поршневой или роторный многорежимный двигатель (возможно, оригинальной конструкции), обеспечивающий высокую и переменную удельную тягу (момент вращения) при любых оборотах и при сохранении стабильно высокого объемного КПД (80-90%).
2. Систему подготовки впуска сжатого воздуха в цилиндры двигателя, которая обеспечивает автоматическую установку давления, дозировки и фазировки порций воздуха, направляемого в цилиндры двигателя.
3. Автоматический блок контроля нагрузки и скорости пневмомобиля - управляет пневмодвигателем и системой подготовки впуска сжатого воздуха в его цилиндры в соответствии с запросами оператора машины на скорость ее движения и нагрузкой на пневмоприводе.
Такой пневмопривод не будет иметь ни одной постоянной характеристики. Все его характеристики - мощность, момент вращения, частота вращения - автоматически изменяются от нуля до максимума в зависимости от условий работы и преодолеваемой нагрузки. Кроме того он может обладать реверсивностью хода и пневматическим механизмом принудительного торможения типа ретардера.
Только такой комплексный подход к решению проблемы пневмопривода позволит сделать его максимально эффективным, предельно экономичным и не требующим применения различных вспомогательных систем, таких как муфта сцепления или коробка перемены передач. Он же в состоянии повысить экономичность пневмосистемы на 15-30% в сравнении с мировыми аналогами.
За опытную машину с пневмоприводом лучше всего использовать специально сконструированный для этого автопогрузчик. Эта машина сможет показать себя и в движении и в работе. Для автопогрузчика проще сделать облицовочные панели, чем изготовить кузов легкового автомобиля, а кроме того погрузчик - машина принципиально тяжелая и вес стальных баллонов под сжатый воздух ей не помешает, а легкие углепласт-кевларовые баллоны на первом этапе работ обойдутся дороже чем вся машина. Свою роль сыграет и то, что отдельные узлы машины мы сможем использовать от серийных автопогрузчиков, а это позволит ускорить работу.
Кроме того, автопогрузчик - это одна из немногих машин, которую есть смысл делать с пневмоприводом, тем более - в качестве опытного образца.
Такая машина с пневмоприводом имеет некоторые преимущества перед своими дизельными и электрическими аналогами: - при серийном изготовлении она окажется дешевле в производстве, - запас энергии в баллонах аналогичный запасу энергии в аккумуляторах электропогрузчика, - время зарядки баллонов - несколько минут, а время зарядки аккумуляторных батарей - 6-8 часов, - пневмопривод практически не чувствителен к изменению температуры окружающего воздуха - при повышении температуры до +50º запас энергии увеличивается на 10% и с дальнейшим повышением температуры окружающей среды запас энергии пневмопривода только возрастает, не оказывая вредного воздействия (как у дизеля, который склонен к перегреву). При снижении температуры до -20º запас энергии пневмопривода снижается на 10% без каких либо других вредных воздействий на его работу, в то время, как запас энергии электрических батарей уменьшится в 2 раза, а дизель на таком холоде может и не завестись. При снижении температуры окружающей среды до -50º аккумуляторные батареи и дизеля практически не работают без специальных ухищрений, а пневмопривод лишь теряет около 25% запаса энергии. - такой пневмопривод может обеспечивать гораздо больший тягово-скоростной диапазон работы, чем тяговые электродвигатели электропогрузчиков или гидротрансформаторы дизельных погрузчиков.
Инфраструктура заправки и обслуживания машин с пневмоприводом может быть создана гораздо проще, чем подобная инфраструктура для обычных машин.
Пневмозаправка не требует подвоза и переработки топлива - оно находится вокруг нас и абсолютно бесплатно. Требуется только подвод электроэнергии.
Заправки пневмомобилей в каждом доме - вещь абсолютно реальная, только себестоимость домашней заправки пневмомобиля будет несколько выше, чем на магистральной пневмостанции.
Что же касается дозарядки пневмомобиля при торможении или движении с горы (так называемая рекуперация энергии), то по техническим причинам это сделать или очень сложно или экономически не выгодно.
Проблему рекуперации энергии у пневмоприводных машин решить гораздо сложнее, чем у электромобилей.
Если рекуперировать энергию (используя торможение автомобиля или его притормаживание при движении с уклона) при помощи генератора и компрессора, то цепочка рекуперации получается значительно длиннее: генератор - аккумулятор - преобразователь - электродвигатель - компрессор. При этом мощность рекуператора (системы рекуперации в целом и всех ее составляющих по отдельности) должна составлять около половины мощности пневмодвигателя машины.
У пневмомобиля механизм рекуперации энергии значительно сложнее и дороже чем у электромобиля. Дело в том, что генератор электромобиля, связанный с рекуперацией энергии, независимо от режима торможения автомобиля, возвращает в аккумуляторы энергию при стабильном напряжении. При этом сила тока зависит от режима торможения и особой роли в подпитке аккумулятора не играет. Именно этот процесс очень трудно обеспечить в пневмоприводе.
В рекуперации энергии пневмопривода аналогом напряжению является давление, а аналогом силе тока - производительность компрессора. И обе эти величины являются переменными, зависящими от режима торможения.
Чтобы было понятнее, рекуперация не будет происходить, если давление в баллонах составляет 300 атмосфер, а компрессор в выбранном режиме торможения создает только 200 атмосфер. В то же время режим торможения выбирается водителем индивидуально в каждом конкретном случае и подстраивается под условия движения, а не под эффективную работу рекуператора.
Существуют и другие проблемы, связанные с рекуперацией энергии у пневмомобилей.
Так что пневмопривод может быть довольно ограниченно применен при разработке очень узкой гаммы небольших автомобильчиков - тех же развозных тележек-каров, легких городских и клубных миниавтомобилей.
Модель открытого микроавтомобиля или грузового микрокара, работающих на сжатом воздухе. Идеальное средство передвижения для небольших городов и поселков в зонах жаркого климата. Абсолютно чистый выхлоп - чистый прохладный воздух, который может быть направлен на создание микроклимата пассажирам. Высокоэкономичный автоматизированный пневмопривод ее хода обеспечивает максимальную эффективность и автоматизацию управления ее движением не зависимо от изменения величины внешней нагрузки - сопротивления движению. Оригинальный пневматический двигатель с изменяемым моментом вращения не нуждается в применении коробки передач. Эффективность этого пневматического привода на 20% выше, чем у существующих аналогичных пневматических приводов других разработчиков и максимально приближена к теоретическому пределу использования энергии, запасенной в сжатом воздухе в баллонах машины.
Несколько лет назад мир облетела новость о том, что индийская компания Tata собирается запустить в серию автомобиль, работающий на сжатом воздухе. Планы так и остались планами, но пневматические автомобили явно стали трендом: каждый год появляется несколько вполне жизнеспособных проектов, а компания Peugeot в 2016 году планировала поставить на конвейер воздушный гибрид. Почему же пневмокары внезапно вошли в моду?
Все новое — это хорошо забытое старое. Так, электромобили в конце XIX века были популярнее бензиновых собратьев, затем они пережили столетнее забвение, а потом снова «восстали из пепла». То же касается и пневмотехники. Еще в 1879 году французский пионер авиации Виктор Татен спроектировал самолет A? roplane, который должен был подниматься в воздух благодаря двигателю на сжатом воздухе. Модель этой машины успешно летала, хотя в полном размере самолет построен не был.
Родоначальником пневмодвигателей на наземном транспорте стал другой француз, Луи Мекарски, разработавший подобный силовой агрегат для парижских и нантских трамваев. В Нанте машины испытали в конце 1870-х, а к 1900 году Мекарски владел парком из 96 трамваев, что доказывало эффективность системы. Впоследствии пневматический «флот» был заменен электрическим, но начало было положено. Позднее пневмолокомотивы нашли себе узкую сферу повсеместного применения — шахтное дело. В то же время начались и попытки поставить воздушный двигатель на автомобиль. Но до начала XXI века эти попытки оставались единичными и не стоящими внимания.
Плюсы: отсутствие вредных выбросов, возможность заправки автомобиля в домашних условиях, невысокая стоимость ввиду простоты конструкции двигателя, возможность применения рекуператора энергии (например, сжатия и накопления дополнительного воздуха за счет торможения автомобиля). Минусы: низкие КПД (5−7%) и плотность энергии; необходимость во внешнем теплообменнике, поскольку при уменьшении давления воздуха двигатель сильно переохлаждается; низкие эксплуатационные показатели пневмоавтомобилей.
Преимущества воздуха
Пневматический двигатель (или, как говорят, пневмоцилиндр) преобразует энергию расширяющегося воздуха в механическую работу. По принципу действия он аналогичен гидравлическому. «Сердце» пневмодвигателя — поршень, к которому прикреплен шток; вокруг штока навита пружина. Воздух, поступающий в камеру, с увеличением давления преодолевает сопротивление пружины и перемещает поршень. На фазе выпуска, когда давление воздуха падает, пружина возвращает поршень в исходное положение — и цикл повторяется. Пневмоцилиндр вполне можно назвать «двигателем внутреннего несгорания».
Более распространена мембранная схема, где роль цилиндра выполняет гибкая мембрана, к которой точно так же прикреплен шток с пружиной. Ее преимущество заключается в том, что не нужна столь высокая точность посадки подвижных элементов, не требуются смазочные материалы, а герметичность рабочей камеры повышается. Существуют также роторные (пластинчатые) пневмодвигатели — аналоги ДВС Ванкеля.
Крошечный трехместный пневмоавтомобиль французской MDI был представлен широкой публике на Женевском автосалоне 2009 года. Он имеет право передвигаться по выделенным велодорожкам и не требует наличия водительских прав. Пожалуй, самый перспективный пневмокар.
Основные плюсы пневмодвигателя — это его экологичность и низкая стоимость «топлива». Собственно, из-за безотходности пневмолокомотивы и получили распространение в шахтном деле — при использовании ДВС в замкнутом пространстве воздух быстро загрязняется, резко ухудшая условия работы. Отработанные же газы пневмодвигателя — это обычный воздух.
Один из недостатков пневмоцилиндра — относительно низкая плотность энергии, то есть количество вырабатываемой энергии на единицу объема рабочего тела. Сравните: воздух (при давлении 30 МПа) имеет плотность энергии порядка 50 кВт ч на литр, а обычный бензин — 9411 кВт ч на литр! То есть бензин как топливо эффективнее почти в 200 раз. Даже с учетом не очень высокого КПД бензинового двигателя он «выдает» в итоге около 1600 кВт ч на литр, что значительно выше, чем показатели пневмоцилиндра. Это ограничивает все эксплуатационные показатели пневмодвигателей и движимых ими машин (запас хода, скорость, мощность и т. д.). Помимо того, пневмодвигатель имеет относительно небольшой КПД — порядка 5−7% (против 18−20% у ДВС).
Пневматика XXI века
Актуальность экологических проблем XXI века заставила инженеров вернуться к давно забытой идее использования пневмоцилиндра в качестве двигателя для дорожного транспортного средства. По сути, пневмоавтомобиль экологичнее даже электромобиля, элементы конструкции которого содержат вредные для окружающей среды вещества. В пневмоцилиндре же — воздух и ничего кроме воздуха.
Поэтому основной инженерной задачей было приведение пневмокара к виду, в котором он мог бы конкурировать с электромобилями по эксплуатационным характеристикам и стоимости. Подводных камней в этом деле множество. Например, проблема дегидратации воздуха. Если в сжатом воздухе будет хотя бы капля жидкости, то из-за сильного охлаждения при расширении рабочего тела она превратится в лед, и двигатель просто заглохнет (или даже потребует ремонта). Обычный летний воздух содержит примерно 10 г жидкости на 1 м 3 , и при наполнении одного баллона нужно затратить дополнительную энергию (около 0,6 кВт ч) на дегидратацию — причем эта энергия невосполнима. Данный фактор сводит на нет возможность качественной домашней заправки — оборудование для дегидратации невозможно установить и эксплуатировать в домашних условиях. И это лишь одна из проблем.
Тем не менее тема пневмоавтомобиля оказалась слишком привлекательной, чтобы о ней забыть.
На полном баке и полной заправке воздухом Peugeot 2008 Hybrid Air может проехать до 1300 км.
Сразу в серию?
Одно из решений, позволяющих минимизировать недостатки пневмодвигателя, — облегчение автомобиля. Действительно, городской микролитражке не нужен большой запас хода и скорость, а вот экологические показатели в мегаполисе играют значительную роль. Именно на это рассчитывают инженеры франко-итальянской компании Motor Development International, которые на Женевском автосалоне 2009 года представили миру пневмоколяску MDI AIRpod и ее более серьезный вариант MDI OneFlowAir. MDI начали «сражаться» за пневмокар еще в 2003-м, показав концепт Eolo Car, но лишь спустя десять лет, набив множество шишек, французы пришли к приемлемому для конвейера решению.
MDI AIRpod — это нечто среднее между автомобилем и мотоциклом, прямой аналог мотоколяски-«инвалидки», как ее частенько называли в СССР. Благодаря 5,45-сильному воздушному двигателю трехколесная малолитражка массой всего 220 кг может разогнаться до 75 км/ч, а запас ее хода составляет 100 км в базовом варианте или 250 км в более серьезной конфигурации. Интересно, что у AIRpod вообще нет руля — машина управляется джойстиком. В теории она может передвигаться как по дорогам общего пользования, так и по велодорожкам.
У AIRpod есть все шансы на серийное производство, поскольку в городах с развитой велоструктурой, например в Амстердаме, такие машинки могут быть востребованы. Одна заправка воздухом на специально оборудованной станции занимает около полутора минут, а стоимость передвижения составляет в итоге порядка 0,5 на 100 км — дешевле просто некуда. Тем не менее заявленный срок серийного производства (весна 2014 года) уже прошел, а воз и ныне там. Возможно, MDI AIRpod появится на улицах европейских городов в 2015-м.
Кроссовый мотоцикл, построенный австралийцем Дином Бенстедом на шасси Yamaha, способен разгоняться до 140 км/ч и безостановочно ехать в течение трех часов на скорости 60 км/ч. Воздушный двигатель системы Анжело ди Пьетро весит всего лишь 10 кг.
Второй предсерийный концепт — это известный проект индийского гиганта Tata, автомобиль MiniCAT. Проект был запущен одновременно с AIRpod, но, в отличие от европейцев, индусы заложили в программу нормальный, полноценный микроавтомобиль с четырьмя колесами, багажником и традиционной компоновкой (в AIRpod, заметим, пассажиры и водитель сидят спинами друг к другу). Масса Tata чуть побольше, 350 кг, максимальная скорость — 100 км/ч, запас хода — 120 км, то есть MiniCAT в целом похож на машину, а не на игрушку. Интересно, что в компании Tata не мучились с разработкой воздушного двигателя «с нуля», а за $28 млн приобрели права на использование разработок MDI (что позволило последней удержаться на плаву) и усовершенствовали двигатель для приведения в движение более крупного транспортного средства. Одна из фишек этой технологии — использование тепла, выделяющегося при охлаждении расширяющегося воздуха, для нагрева воздуха при заправке баллонов.
Изначально Tata собиралась поставить MiniCAT на конвейер в середине 2012 года и производить порядка 6000 единиц в год. Но обкатка продолжается, а серийное производство отложено до лучших времен. За время разработки концепт успел сменить имя (ранее он назывался OneCAT) и дизайн, так что какая его версия поступит в итоге в продажу, не знает никто. Кажется, даже представители Tata.
На двух колесах
Чем легче автомобиль на сжатом воздухе, тем он более эффективен в плане эксплуатационных и экономических показателей. Логичный вывод из этого утверждения — почему бы не сделать скутер или мотоцикл?
Этим озаботился австралиец Дин Бенстед, который в 2011 году продемонстрировал миру кроссовый мотоцикл O 2 Pursuit с силовым агрегатом, разработанным фирмой Engineair. Последняя специализируется на уже упомянутых роторных воздушных двигателях разработки Анжело ди Пьетро. По сути, это классической компоновки «ванкели» без сгорания — ротор приводится в движение подачей воздуха в камеры. Бенстед пошел при разработке от обратного. Сперва он заказал Engineair двигатель, а потом построил вокруг него мотоцикл, использовав раму и часть элементов от серийной Yamaha WR250R. Машина получилась на удивление энергоэффективной: на одной заправке она проходит 100 км и в теории развивает максимальную скорость 140 км/ч. Эти показатели, к слову, превышают аналогичные у многих электрических мотоциклов. Бенстед остроумно сыграл на форме баллона, вписав его в раму, — это позволило сэкономить место; двигатель в два раза компактнее своего бензинового собрата, а свободное место позволяет установить второй баллон, увеличив пробег мотоцикла в два раза.
Но, к сожалению, O 2 Pursuit остался лишь одноразовой игрушкой, хотя и был номинирован на престижную изобретательскую премию, учрежденную Джеймсом Дайсоном. Спустя два года идею Бенстеда подхватил другой австралиец, Дарби Бичено, который предложил создать по схожей схеме не мотоцикл, а сугубо городское транспортное средство, скутер. Его EcoMoto 2013 должен быть сделан из металла и бамбука (никакого пластика), но дальше рендеров и чертежей дело пока что не продвинулось.
Помимо Бенстеда и Бичено, схожую машину в 2010 году построил Эвин И Ян (его проект назывался Green Speed Air Motorcycle). Все три конструктора, к слову, были студентами Королевского технологического института Мельбурна, и потому их проекты схожи, используют один и тот же двигатель и… не имеют шанса на серию, оставаясь исследовательскими работами.
В 2011 году спортивный автомобиль Toyota Ku: Rin установил мировой рекорд скорости для транспортных средств, приводимых в движение энергией сжатого воздуха. Обычно пневмоавтомобили не разгоняются более чем до 100−110 км/ч, концепт же Toyota показал официальный результат 129,2 км/ч. Ввиду «заточенности» на скорость, Ku: Rin на одной зарядке мог проехать всего 3,2 км, но больше трехколесному одноместному болиду и не требовалось. Рекорд установлен. Интересно, что до того рекорд составлял всего лишь 75,2 км/ч и был установлен в Бонневилле болидом Silver Rod конструкции американца Дерека Маклиша летом 2010 года.
Корпорации на старте
Вышесказанное подтверждает, что у воздушных автомобилей будущее есть, но, скорее всего, не в «чистом виде». Все-таки они имеют свои ограничения. Тот же MDI AIRpod провалил абсолютно все краш-тесты, поскольку его сверхлегкая конструкция не позволяла должным образом защищать водителя и пассажиров.
А вот использовать пневмотехнологии в качестве дополнительного источника энергии в гибридном автомобиле вполне реально. В связи с этим компания Peugeot объявила о том, что с 2016 года часть кроссоверов Peugeot 2008 будет выпускаться в гибридном варианте, одним из элементов которого будет установка Hybrid Air. Эта система разработана в сотрудничестве с Bosch; суть ее в том, что энергия ДВС будет запасаться не в форме электроэнергии (как в обычных гибридах), а в баллонах со сжатым воздухом. Планы, правда, так и остались планами: на данный момент на серийные автомобили установка не ставится.
Peugeot 2008 Hybrid Air сможет двигаться, используя энергию ДВС, воздушного силового агрегата или их комбинации. Система будет сама распознавать, какой из источников энергоэффективнее в той или иной ситуации. В городском цикле, в частности, 80% времени будет использоваться энергия сжатого воздуха — он приводит в движение гидронасос, который вращает вал при отключенном ДВС. Суммарная экономия топлива при такой схеме составит до 35%. При работе на чистом воздухе максимальная скорость автомобиля ограничивается 70 км/ч.
Концепт Peugeot выглядит абсолютно жизнеспособным. С учетом экологических преимуществ подобные гибриды вполне смогут потеснить электрические в течение ближайших пяти-десяти лет. И мир станет немножечко чище. Или не станет.
Иногда нужно иметь под рукой маломощный двигатель, который превращает энергию горения топлива в меxаническую энергию. Как право такие двигатели имеют очень трудную сборку, а если купить готовый, то нужно прощаться с кругленькой суммой из кошелька. Мы сегодня детально будем рассматривать конструкцию и самостоятельную сборку одного из такиx двигателей. Но двигатель у нас будет работать чуть по иному, на сжатом воздуxе. Область его применения очень большая (модели кораблей, машин, если дополнить генератором тока можно собрать маленькую электростанцию и тому подобное).Начнем рассматривать каждую часть такого воздушного двигателя по отдельности. Данный двигатель способен дать от 500 до 1000 оборотов в минуту и благодаря применению маxовика обладает приличной мощностью. Запаса сжатого воздуxа в резонаторе xватает на 20 минут непрерывной работы двигателя, но можно и увеличить время работы, если в качестве резервуара использовать автомобильное колесо. Данный двигатель может работать и с паром. Принцип работы состоит в следующем - цилиндр с припаянной к одной из его сторон призмой имеет отверстие в своей верxней части, которое проxодит и через призму качается вместе с укрепленной в нем осью в подшипнике стойки.
Справа и слева от подшипника сделаны два отверстия, одно для впуска воздуxа из резервуара в цилиндр, второе для выпуска отработанного воздуxа. Первое положение работы двигателя показывает момент впуска воздуxа (отверстие в цилиндре совпадает с правым отверстием в стойке). Воздуx из резервуара войдя в полость цилиндра давит на поршень и толкает его вниз. Движение поршня через шатун передается к маxовику, который поворачиваясь, выводит цилиндр из крайнего правого положения и продолжает вращаться. Цилиндр принимает вертикальное положение и в этот момент впуск воздуxа прекращается, так как отверстия цилиндра и стойки не совпадают.
Благодаря инерции маxовика движение продолжается и цилиндр переxодит уже в крайнее левое положение. Отверстие цилиндра совпадает с левым отверстием в стойке и через это отверстие отработанный воздуx выталкивается наружу. И цикл повторяется снова и снова.
Детали воздушного двигателя
ЦИЛИНДР - изготавливается из латунной, медной или стальной трубки с диаметром 10 - 12 мм,. В качестве качестве цилиндра можно использовать латунную гильзу ружейного патрона подxодящего калибра. Трубка должна иметь гладкие внутренние стены. На цилиндр нужно напаять выпиленная из куска железа призма, в которой плотно укреплен винт с гайкой (ось качания), выше винта, на расстоянии 10 мм от его оси, просверлено через призму внутрь цилиндра отверстие диаметром 2мм для впуска и выпуска воздуxа.
ШАТУН - выпиливают из латунной пластинки толщиной 2 мм. один конец шатуна расширение в котором сверлят отверстие с диаметром 3 мм для пальца кривошипа. Другой конец шатуна, предназначен для впайки в поршень. Длина шатуна 30 мм.
ПОРШЕНЬ - отливают из свинца непосредственно в цилиндре. Для этого в жестяную банку насыпают суxой речной песок. Затем заготовленную для цилиндра трубку вставляем в песок, оставляя снаружи выступ 12мм. Для уничтожения влаги, банку с песком и цилиндр нужно прогреть в печи или на газовой плите. Теперь нужно расплавлять свинец в цилиндр и сразу же нужно погружать туда шатун. Шатун нужно установить точно в центре поршня. Когда отливка остынет, из банки с песком вынимают цилиндр и выталкивают из него готовый поршень. Все неравномерности сглаживаем мелким напильником.
СТОЙКИ ДВИГАТЕЛЯ - нужно изготовить согласно размерам которые указаны на фотографии. Его делаем из 3 - миллиметрового железа или латуни. Высота основной стоки 100 мм. В верxней части основной стойки сверлят по центральной осевой линии отверстие диаметром 3мм, которое служит подшипником для оси качания цилиндра. Два самыx верxниx отверстия диаметром по 2 мм сверлим по окружности радиусом 10 мм, проведенной от центра подшипника оси качания. Эти отверстия расположены по обе стороны от осевой линии стойки на расстоянии 5 мм от нее. Через одно из этиx отверстий воздуx поступает в цилиндр, через другое - выталкивается из цилиндра. Вся конструкция воздушного двигателя собрана на основной стойке, которая сделана из дерева с толщиной примерно 5 см.
МАXОВИК - можно подобрать готовый или отлить из свинца (раньше выпускались машинки с инерционным двигателем, там присутствует нужный нам маxовик). Если вы все же решили отлить его из свинца, то не забудьте в центре формы установить вал (ось) с диаметром 5мм. Размеры маxовика также указаны на рисунке. Для крепления кривошипа на одном конце вала имеется резьба.
КРИВОШИП - выпиливаем из железа или латуни с толщиной 3 мм по рисунку. Палец кривошипа можно изготовить из стальной проволки с диаметром 3 мм и впаивается в отверстие кривошипа.
КРЫШКА ЦИЛИНДРА - изготовливаем и 2-х миллиметровой латуни и после отливки поршня припаивают к верxней части цилиндра. После сборки всеx частей двигателя собираем его. В пайке латуни и стали следует использовать мощный советский паяльниик и соленую кислоту для прочной пайки. Резервуар в моей конструкции применен от краски, трубки резиновые. Мой двигатель собран чуть по иному, размеры я поменял, но принцип работы тоже самое. Двигатель раньше у меня работал часами, к нему был подключен самодельный генератор переменного тока. Такой двигатель особенно может заинтересовать моделистов. Используйте двигатель там, где сочтете нужным и на сегодня все. Удачи в сборке - АКА
Обсудить статью ВОЗДУШНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
Загрузка...
