Автомобиль заправят воздухом

В поисках новых энергоносителей автомобильные инженеры разрабатывают двигатели, работающие на электричестве, водороде, растительном масле, спирте и других возобновляемых носителях. Дошел черед и до сжатого воздуха – пожалуй, самого экологически чистого топлива.

Крупнейший индийский автопроизводитель Tata объявил о предстоящем выходе на рынок автомобиля, работающего на сжатом воздухе. Сжатый до давления 300 атмосфер воздух поступает из специального бака в силовой агрегат, напоминающий обычный двигатель внутреннего сгорания.

Пневматический автомобиль комплектуется 4-цилиндровым двигателем объемом в 700 «кубиков». Этот двигатель смешивает сжатый воздух из бака с атмосферным (наружным) воздухом, что дает дополнительную экономию. Мотор обладает вполне достаточной для городского движения динамикой, а максимальная скорость превышает 100 км/ч.
Разработчики добились увеличения дистанции, которую может проехать автомобиль без заправки – более 300 км. В городском режиме запаса может хватить на 200–250 км. Бак для сжатого воздуха объемом 340 литров вмещает 90 кубометров воздуха. Он изготавливается из стекловолокна, поэтому легок и безопасен.

Есть два способа заправляться: на сервисной станции или около любой электрической розетки. На сервисной станции полная заправка бака займет всего три минуты. В любом удобном водителю месте можно заправиться с помощью встроенного компрессора, но на это придется потратить несколько часов. По данным разработчиков, полная заправка бака обойдется примерно в 2–3 доллара (по ценам на электричество в США и странах ЕС). Расходы на топливо составят около 1 доллара за 100 км пути. А масло придется менять лишь раз в 50 тыс. километров – это, как минимум, втрое реже, чем в двигателе внутреннего сгорания.

Производство пневмомобилей на Tata Motors начнется уже в текущем году, Tata планирует производить 6000 «воздушных» автомобилей в год. Основными рынками сбыта должны стать Соединенные Штаты, страны ЕС, Израиль и Южная Африка.
Предполагаемая цена Tata Air Car в Индии составит около 11 тыс. долларов. При массовом выпуске воздушный двигатель может быть существенно дешевле двигателя для электромобиля.

Разработчиком этой модели стала компания MDI, которая уже заключила контракты на выпуск пневматических автомобилей с производителями из 12 стран. Возможность массово выпускать воздушные автомобили в настоящее время рассматривается производителями США, Англии, Франции, Испании, Бразилии и других стран.
Уже разработаны четыре варианта кузова воздушного автомобиля: пятиместное купе, фургон, такси и пикап.

Сама идея транспортного средства, приводимого в движение сжатым воздухом, не столь нова. Еще в XIX веке этот принцип применялся для вагонеток на шахтах. Аналогичный принцип используется для запуска двигателя БТР-50ПК, состоящего на вооружении российской армии: если отказал стартер, двигатель заведет сжатый воздух.

Изобретатель Гай Негре из компании MDI, работавший прежде для команд «Формулы-1», в 1991 году сконструировал гибридный двигатель, работающий на бензине либо сжатом воздухе. Разработки по созданию и усовершенствованию воздушного двигателя ведутся им и учеными в других странах уже более 15 лет.

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 CityCAT’s Taxi и MiniCAT’s 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 CAT’s (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.

/ 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.

Резвое распространение бензиново-электрического гибридного привода привело к тому, что сейчас его считают, чуть не единственной кандидатурой автомобилям, снаряженным единственным бензиновым двигателем. Все современные серийные гибридные авто употребляют такие силовые установки в купе с электронными моторами, энергия для которых генерируется методом рекуперации энергии торможения. Результатом таковой практики является значимая экономия горючего и минимизация вредного воздействия на окружающую среду. Платой за эти положительные стороны является существенное повышение себестоимости производства автомобилей с гибридными силовыми установками.

Машина на сжатом воздухе.

Такое положение вещей привело к тому, что многие компании приступили к поиску альтернатив уже сделанным гибридным установкам, более прибыльным и исходя из убеждений эксплуатации, и исходя из убеждений производства. Одним из решений, кажущимся полностью удачным и действенным, было найдено внедрение автомобилей на сжатом воздухе (нужно увидеть, что трамвай, работающий на сжатом воздухе, появился еще в конце девятнадцатого века).

Механизм работы таких установок базируется на том, что рекуперированную энергию торможения подразумевается аккумулировать не в электронную, а в механическую. Аккумуляторные батареи предлагается поменять емкостями для хранения сжатого воздуха, а электронные движки – компрессорными установками.

Вобщем, энергии 1-го только сжатого воздуха для движения автомобиля хватило бы не на длительно. Современные авто на сжатом воздухе не являются такими в незапятанной форме. По собственной сущности – это те же модификации, основной частью которых как и раньше являются движки внутреннего сгорания. Но большим их преимуществом является факт, что не считая бензиновых силовых установок, они не требуют оборудования дополнительными движками (как, например, бензиново-электрические, где требуется электромотор). Авто на воздухе, который сжат энергией торможения, работают на тех же, узнаваемых уже вторую сотку лет, движках внутреннего сгорания. Вот только значительно улучшенными.

Усовершенствование, а точнее модификация ДВС состоит в том, что все установленные в их цилиндры, на горючем работают только по мере надобности довольно большой мощности (очень утрированное, но довольно точно описывающее сущность описание). В остальное же время в цилиндры подается компрессионно сжатый воздух, который и поставляет энергию, заставляющую вертеться маховик.

Работа механизма подачи сжатого воздуха.

Если более тщательно обрисовывать работу автомобилей на сжатом воздухе, то удобнее ассоциировать его работу с обычным бензиновым двигателем. Итак, обычный ДВС имеет в собственном рабочем цикле четыре такта, протекающих в каждом цилиндре:

• Впуск.
• Сжатие.
• Рабочий ход.
• Выброс.

В пневматических же моторах такты распределены меж парами цилиндров (компрессионных и основных). В компрессионном происходит впуск и предстоящее сжатие воздуха. В основном же, соответственно, рабочий ход и выпуск отработанных газов. Сжатый воздух из компрессионного цилиндра поступает в главный. Для этого устроены особые перепускные клапана и система клапанов.

Самое увлекательное в работе такового мотора, что рабочий ход в нем может осуществляться за счет энергии 2-ух видов: сгорания горючего и расширения сжатого ранее воздуха.

Более принципиально также и то, что два вида энергии, потребляемом движком на сжатом воздухе и горючем, не приводит к умножению на два числа цилиндров, как могло бы показаться вначале. По сути, рабочий ход в основном цилиндре соответствует каждому обороту вала (точно также как и в двухтактном моторе), а не каждому второму обороту, что является отличительной чертой четырехтактного мотора.

Нужно увидеть, что таковой механизм работы пневматических движков был придуман инженером-испытателем Формулы-1 Гаем Негре. Основанная им компания MDI даже запустила в серию некоторое количество видов автомобилей с схожими гибридными силовыми установками. Но в компании не тормознули на достигнутом, и на данный момент запущен в серию и выпускается автомобиль OneCat, где движок Негре работает только на сжатом воздухе.

Не считая того, таковой принцип использования энергии сжатого воздуха для приведения в движение автомобиля является хоть и самым «раскрученным», но далековато не единственным. Еще в конце 80-х годов инженер волжского авто завода Николай Пустынский изобрел и собрал пневмодвигатель, на девяносто 5 процентов похожий с бензиновым двигателем, но работающий только на сжатом воздухе. В авто индустрии изобретение Пустынского внедрения так и не отыскало, но оно было применено для сотворения силовых установок к карам, перевозящим грузы в цехах заводов.

Движок ДиПьетро.

Но самым восхитительным по оригинальности решения и эффективности остается движок австралийского изобретателя Анджело ДиПьетро, разработанный им в 70-х годах двадцатого столетия. Принципно новенькая конструкция мотора ДиПьетро не подразумевает присутствия в нем цилиндров и поршней в их вообщем. В особом корпусе устройства крутится кольцо, опирающееся на особые, закрепленные на валу ролики. По кругу кольца размещены особые камеры, способные изменять собственный объем под воздействием сжатого воздуха и, тем, крутить ротор, передающий движение на колеса.

Движок ДиПьетро легок и конструктивно прост, по этому им можно оснащать авто на сжатом под определенным давлением воздухе. Эффективнее всего устанавливать раздельно такие силовые установки на каждое колесо автомобиля. Не считая того, движок австралийского изобретателя обладает способностью выдавать наибольший вращающий момент даже на самых низких оборотах, что практически автоматом позволяет создавать авто на сжатом в особых емкостях воздухе, не снаряженные коробкой.

В начале века многочисленные СМИ пророчили, что вот-вот начнется массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива.

Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием e.Volution на выставке Auto Africa Expo-2000, которая состоялась в Йоханнесбурге. Изумленной общественности сообщили, что e.Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая скорость до 130 км/ч. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/ч. Было заявлено, что стоимость такой поезд­ки обойдется владельцу в 30 центов. При этом весит машина всего 700 кг, а двигатель - 35 кг.
Революционную новинку представила французская фирма MDI, которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай Негр, известный как разработчик пусковых устройств для болидов “Формулы-1” и авиационных двигателей.
Изобретатель заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Свое детище француз назвал Zero Pollution, что означает нулевой выброс вредных веществ в атмосферу.
Девизом Zero Pollution стало “Простой, экономичный и чистый”, то есть упор был сделан на его без­опасность и безвредность для экологии. Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: “Воздух засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 бар. При этом он разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру. В “камеру сгорания” под давлением подается и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передает рабочее усилие на коленчатый вал. Можно даже сказать, что “воздушный” двигатель работает так же, как и обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут нет”.
Было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа, выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов. Планировалось построить “воздухозаправочные” станции, способные наполнить 300-литровые баллоны всего за три минуты. Предполагалось, что продажи “воздухомобилей” начнутся в Южной Африке по цене около 10 тысяч долларов.
Но после громких заявлений и всеобщего ликования что-то произошло. Внезапно все стихло, и о “воздухомобиле” почти забыли. Причина нелепая: страница в Интернете якобы не справляется с огромным потоком запросов.
Есть мнение, что экологичную разработку саботировали автомобильные гиганты: предвидев приближающийся крах, когда выпускаемые ими бензиновые двигатели никому не будут нужны, они якобы решили выскочку задушить на корню.
Однако и многие независимые эксперты настроены скорее скептически, тем более что ряд крупных автомобилестроительных концернов, например, “Фольксваген”, уже в 70-80-х годах вели исследования в этом направлении, но затем свернули их ввиду полной бесперспективности. Автомобильные компании уже потратили огромные деньги на эксперименты с электрическими автомобилями, которые оказались неудобными и дорогими.
Однако ждать осталось недолго. Вероятно, уже в наступающем году мы точно узнаем, что же такое этот разработанный фирмой MDI двигатель на сжатом воздухе - революция в автомобилестроении или во всех смыслах слова дутая сенсация.
В Интернете имеется коммерческое предложение, адресованное, по всей видимости, правительству Москвы. В этом документе одна столичная компания предлагает чиновникам “ознакомиться с предложением автомобильной фирмы MDI о производстве в Москве абсолютно экологически чистых и экономичных автомобилей”.
Интерес представляет и изобретение Раиса Шаймухаметова - “садоход”, который “приводится в движение от сжатого воздуха: под капотом небольшой двигатель и серийный компрессор. Воздух вращает автономно друг от друга два блока (слева и справа) эксцентрических роторов (поршней). Роторы в блоке через ходовые колеса соединены гусеничной цепью”.
В итоге сложилось двоякое впечатление: с одной стороны, не до конца понятная история с французским “воздухомобилем”, а с другой - куда более четкое ощущение, что “воздушный” транспорт давно используется, и в особенности почему-то в России. И притом с поза­прошлого века.