Что вы знаете о пневматическом двигателе

Как известно, бензин и газ не сразу стали основными видами топлива в автопромышленности. На заре развития этой индустрии независимые инженеры-испытатели при изобретении вечного двигателя пробовали самые неожиданные подходы. То есть, помимо всего прочего, источником движущей силы в некоторых разработках являлся обыкновенный сжатый воздух, а сам движок на таком топливе назывался пневматическим.

Что вы знаете о пневматическом двигателе

Сегодня эта технология наряду с электромотором и водородным двигателем может вновь оказаться перспективной, поэтому расскажем о ней подробнее.

Суть вопроса

Пневматический двигатель, иначе называемый пневмоцилиндром, преобразует энергию расширяющегося воздуха в механическое действие. По рабочему принципу он аналогичен гидравлической силовой установке. Главным элементом пневмодвигателя является поршень, к которому прикреплен шток с навитой на него пружиной. 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, после чего цикл повторяется.

Данная технология получила развитие в виде мембранной схемы, где роль цилиндра выполняет гибкая мембрана, к которой шток с пружиной прикреплен аналогичным образом. Ее преимущество заключается в том, что при отсутствии высокой точности посадки подвижных элементов и, как следствие, смазочных материалов, герметичность рабочей камеры повышается. Существуют также роторные (пластинчатые) пневмодвигатели, представляющие собой аналоги двигателя Ванкеля.

Основными плюсами пневмодвигателей являются экологичность и практически нулевая стоимость «топлива». Так, из-за безотходности пневмолокомотивы и получили распространение в шахтном деле: при использовании ДВС в замкнутом пространстве воздух быстро загрязняется, резко ухудшая условия работы, тогда как отработавшие газы пневмодвигателя являются обычным воздухом.

Один из недостатков пневмоцилиндра – относительно низкая плотность энергии, то есть количество вырабатываемой энергии на единицу объема рабочего тела. Для сравнения укажем, что 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 самого высокого КПД бензиновый двигатель выдает около 1600 кВт*ч на литр, что значительно выше показателей пневмоцилиндра. Это и ограничивает все эксплуатационные показатели пневмодвигателей и движимых ими машин (запас хода, скорость, мощность и т.д.). Кроме того, пневмодвигатель имеет относительно небольшой КПД – порядка 5-7% (против 18-20% у привычных ДВС).

Происхождение пневмодвигателя

В начале XIX века использование сжатого воздуха в качестве привода различных систем было весьма широко распространено и стало исчезать лишь с массовым применением электричества. До этого пневмопривод находил воплощение в различных приборах, от пневмозвонков в дверях, пневмопочты, пневматического оружия и до предложенной в 1827 году пневматической железной дороги.

В 1861 году на Александровском заводе в Санкт-Петербурге С.И.Барановским был построен локомотив на пневматическом приводе, получивший название духоход Барановского. Локомотив использовался на Николаевской железной дороге до лета 1862 года.

Во время строительства Сент-Готардской железной дороги в 1872-1882 годах пневматические локомотивы использовались при прокладывании Готардского железнодорожного туннеля.

Одним из родоначальников пневмодвигателей в наземном транспорте был француз Луи Мекарски, разработавший подобный силовой агрегат для парижских и нантских трамваев. В Нанте такие машины прошли успешные испытания уже в конце 70-х годов XIX века, а к 1900 году Мекарски владел парком из 96 трамваев, что доказывало эффективность выбранной им технологии (что, впрочем, не помешало заменить их электрическими аналогами).

Позже пневмолокомотивы стали повсеместно применяться в шахтном деле по причине своей экологичности. В то же время были предприняты первые попытки ставить воздушный двигатель и на автомобиль. Так, в 1903 году лондонская компания Liquid Air Company производила авто на сжатом и сжиженном воздухе.

Перспективы применения

Несмотря на глобальную экологическую проблему, мировая промышленность не рассматривает всерьез массовый переход на пневмомобили. Основная причина, как ни банально, кроется в деньгах, ведь в том виде, в котором технология существует сейчас, на мировом рынке она эффективно работать не будет, следовательно, требуется отдельный бюджет на ее оптимизацию. А кто из лидеров отрасли готов менять процессы, которые и так отлично работают, и перенастраивать производство для выпуска транспорта, который будет ездить на воздухе? В данном случае это станет практическим воплощением главной фобии любого капиталиста – «пустить деньги на ветер».

Тем не менее кое-какие разработки в отрасли все же ведутся, несмотря на то что перед внедрением концепции электромобиля в массовое производство исследование компании Motor Development International 2005 года показало, что ТС на литиево-ионных батареях имеют показатели втрое лучше, чем их аналоги, приводимые в движение сжатым воздухом. Показатели пневмомобилей в то время не впечатляли – лучший результат автономного хода составлял немногим больше 7 км. Однако та же компания заявила, что к 2010 году такие машины смогут преодолевать 180 км при вождении по городу на максимальной скорости 110 км/ч.

Смелое заявление, как ни странно, практически полностью удалось претворить в жизнь: уже в 2009 году инженеры франко-итальянского бренда MDI представили на Женевском автосалоне пневматическую мотоколяску AIRpod и ее более продвинутую версию OneFlowAir.

В основе данного проекта лежит пневматический двигатель мощностью 5,45 лошадиной силы, способный разгонять трехколесное транспортное средство до 75 км/ч. Благодаря использованию кузова из композитных материалов запас хода базовой версии AIRpod составил 100 км, «прокачанной» – 250 км. При этом независимо от исполнения у пневмомобиля нет руля, а управление им осуществляется с помощью джойстика. Разработчики сознательно пошли на такой шаг, чтобы позволить владельцам AIRpod ездить не только по дорогам общего пользования, но и по велодорожкам. Водительские «права» для управления яйцеобразной капсулой также не требуются.

По расчетам MDI одна заправка AIRpod на специально оборудованной станции занимает около полутора минут, а стоимость передвижения по состоянию на 2014 год (предполагаемое время запуска концепта в серию) должна была составить порядка 0,5 евро на 100 км! Но в процессе дополнительных испытаний выяснилось, что пневматический двигатель подвержен замерзанию и непреднамеренной остановке, что не способствует популяризации модели. Несмотря на это, компания MDI пыталась продавать AIRpod в качестве курортного транспорта для стран с теплым климатом, но так и не смогла сформировать клиентскую базу. В данный момент проект пребывает в стагнации.

Еще один предсерийный концепт пневмомобиля неразрывно связан с предыдущим. Его инициатором выступил индийский консорциум Tata Motors, выкупивший за $28 млн силовую установку у компании MDI, что позволило той остаться на плаву и продолжить собственные исследования. Машинка с рабочим названием MiniCAT получила все необходимые для признания ее автомобилем атрибуты, включая полноценный руль, кузов, багажник и четыре колеса.

При этом масса MiniCAT составила 350 кг, максимальная скорость – 100 км/ч, а запас хода – 120 км. Как уже было сказано, Tata усовершенствовала готовый пневматический двигатель для транспортного средства больших размеров. Одной из главных особенностей обновленной технологии стало использование тепла, выделяющегося при охлаждении расширяющегося воздуха, необходимого для нагрева данного типа «топлива» при заправке баллонов.

В соответствии с первоначальной стратегией Tata Motors собиралась наладить конвейерную сборку MiniCAT в 2012-м и выпускать 6000 единиц данной техники в год. Но обкатка так и не была должным образом завершена: индийский микромобиль, как и его предшественник AIRpod, провалил все возможные краш-тесты, наглядно продемонстрировав, что сверхлегкая конструкция пневмомобилей не способна должным образом защитить свой экипаж при каких-либо столкновениях…

***

На первый взгляд кажется, что применение пневматического двигателя в массовом производстве транспортных средств – утопическая идея. Однако история знает несколько успешных проектов мотоциклов на воздушном ходу: каждый из них был спроектирован разными специалистами в разное время с применением авторских технологий. При этом в серию ни один не пошел.

Однако консорциум Peugeot-Citroёn взглянул на пневмодвигатели под иным углом, задумавшись об их использовании в качестве дополнительного источника энергии для своих гибридов. Так, в 2016 году в качестве эксперимента часть кроссоверов Peugeot 2008 была оборудована дополнительным двигателем Hybrid Air. Система была разработана в сотрудничестве с компанией Bosch, суть ее заключается в том, что энергия ДВС запасается не в виде электроэнергии, как в обычных гибридах, а в баллонах со сжатым воздухом.

Таким образом, Peugeot 2008 Hybrid Air смог двигаться, используя энергию ДВС, воздушного силового агрегата или их комбинации. При этом система сама умеет распознавать, какой из источников более энергетически эффективен в конкретной ситуации. К примеру, в городском цикле 80% времени должна использоваться энергия сжатого воздуха, приводящая в движение гидронасос, который вращает вал при отключенном ДВС. Суммарная экономия топлива при такой схеме составляет до 35%. А при работе на чистом воздухе максимальная скорость автомобиля ограничивается 70 км/ч.

Невзирая на жизнеспособность данной концепции, массового применения она все же не получила. Компания Peugeot обещала продолжить работу над ней, но либо держит результаты этой деятельности в тайне, либо вовсе заморозила проект, оставив его до лучших времен и сосредоточившись на производстве модных электрокаров…

05.01.2023

О чем еще вы бы хотели прочитать на Bamper.by? Задайте свой вопрос!

13 035 725
Запчастей
45 017
Шин
34592
Продавцов