Автомобили на сжатом воздухе: плюсы и минусы. Hybrid Air — гибридный двигатель на сжатом воздухе Обычный подбор: нужно знать крутящий момент M и скорость n

Можно ли построить автомобиль, который вмещал бы шестерых, бензин потреблял меньше скутера, выбрасывал бы в атмосферу минимум вредных веществ, а в коротких поездках – и вовсе ноль? Наверное, да. А чтобы он при этом ещё и стоил как самая обычная легковушка? Удивляйтесь.

В истории «автомобиля на воздухе», который много лет развивает и совершенствует, а также «толкает» к серийному выпуску французский изобретатель Ги Негрэ (Guy Negre), открылась новая глава: американская компания Zero Pollution Motors объявила о скором выводе этих необычных машин на рынок США. Причём американцы намерены производить у себя на родине одну из самых вместительных и ярких моделей француза.

Напомним вкратце. Общий принцип «воздушного» авто прост: в цилиндры двигателя, напоминающего во многом ДВС, подаётся сжатый воздух из баллонов, заменяющих такому аппарату бензобак. Воздух этот и толкает поршни, вращая коленвал.

Негрэ и его двигатель на сжатом воздухе (фото с сайта zeropollutionmotors.us).

Zero Pollution Motors собирается реализовывать в США именно разработки компании Негрэ — Motor Development International (MDI), официальная штаб-квартира которой ныне находится в Люксембурге, а ключевое подразделение (где и создают экспериментальные чудо-авто) — во Франции, в Ницце.

Надо сказать, что американо-французский проект — не единственный пример возвращения к давней идее машин на сжатом воздухе. Есть, скажем, ещё австралийский проект . В Австралии, правда, на этом виде «топлива» работают открытый микрогрузовичок и тележка для перевозки грузов в цехах.

Но ведь и MDI не ограничивает свои разработки легковушками. Недавно компания построила два мини-трактора (колёсный и гусеничный) со всё теми же «воздушными» моторами. Их преимущества как внутризаводского транспорта - отсутствие выхлопа (в сравнении с аппаратами на основе ДВС) и моментальная подзарядка (в сравнении с электрокарами и электрическими погрузчиками).

Мини-тракторы от MDI - прототипы заводского транспорта будущего. Они способны буксировать прицепы весом несколько тонн и работать от одной зарядки бортовых баллонов со сжатым воздухом в течение 2-4 часов. Сама «заправка» (от больших стационарных баллонов, заранее накачанных компрессором) занимает 30 секунд, от силы - минуту (фотографии MDI).

Среди новичков на ниве «авто на воздухе» нужно ещё упомянуть нередко мелькающую в прессе компанию Air Car Factories , основанную Мигелем Селадесом Рексом (Miguel Celades Rex) в Барселоне. Технических подробностей на сайте нет, но речь там фактически идёт о вариации разработки Негрэ.

Дело в том, что Мигель работал вместе с Ги в MDI (как представитель компании в Испании) в течение 8 лет, а недавно решил отправиться в самостоятельное «плавание».

Как там было дело в точности — неизвестно. Но вот Негрэ в пресс-релизе MDI от 3 февраля 2008-го прямым текстом пишет о ссоре и разрыве всяких отношений с Селадесом. А ещё о том, что заявления испанца о развитии его фирмой технологий от MDI являются мошенничеством.

Вот такие сражения разгораются вокруг разработки, все прелести которой люди ещё даже не успели как следует распробовать.

Кстати, почему всё-таки французский инженер с таким упорством борется за распространение машин на сжатом воздухе? Ведь прогресс в аккумуляторах обещает появление более-менее практичных электромобилей, и есть ещё водородные авто?

Причина проста: машины на сжатом воздухе гораздо дешевле своих чисто электрических или водородных соперников при примерно равных технических параметрах (размеры, скорость, запас хода). К тому же, в отличие от химических аккумуляторов электричества (будь то сернокислотные или литиевые), баллоны с воздухом можно заряжать огромное число раз. Им почти сносу нет.

Примеры «воздушных» транспортных средств прошлого: трамвайчик, вышедший на линии в Нанте в 1879-м и опытный автомобиль на сжатом воздухе, представленный в Лос-Анджелесе в 1932-м (фотографии с сайта theaircar.com).

Интересно, что о распространении в будущем автомобилей на сжатом воздухе писал ещё Жюль Верн в 1860-м.

Его прогноз выглядит не таким уж удивительным, если учесть, что приблизительно в то же время в Европе получили некоторое ограниченное распространение машины на сжатом воздухе (городские трамвайчики, грузовики и внутризаводской транспорт). Только в силу возможностей техники того времени запас хода на одной зарядке у этих аппаратов был крайне мал, так что о них быстро забыли.

Негрэ — один из первых современных инженеров, кто вернул вопрос о «воздушных» машинах на повестку дня. И соотечественник великого фантаста ныне, кажется, довёл-таки своё изобретение до конвейера.

Единственное, что, наверное, немного омрачает его радость — воплощать разработку намерены автостроители не Франции, а Индии и США.

Разработанная французской компанией Motor Development International (MDI) машинка под названием AIRPod приводится в движение сжатым воздухом. Хотя выпускается она с 2009 года, долгое время она вызывала у всех (за исключением разве что фанатов-экологов) лишь снисходительную улыбку. Действительно, первоначально она могла эксплуатироваться лишь в теплом климате: разработанный в начале 1990-х годов пневматически-пропеллерный двигатель не запускался при низких температурах. И хотя сегодня уже разработана система подогрева сжатого воздуха, расширяющая географию применения AIRPod, приобрести его можно только на Гавайях (штат США).

Дорожное шоу

Весной 2015 года независимая компания ZPM (Zero Pollution Motor – «Двигатели с нулевым загрязнением») провела в прайм-тайм американского телеканала ABC публичное road-show – презентацию с целью привлечения инвесторов (дословно переводится на русский как «дорожное шоу»). ZPM выкупила у французов право на производство и продажу новой модели AIRPod – пока лишь на Гавайях, выбранных в качестве «стартового рынка».

Презентовали проект завода по производству экологически чистых автомобилей два акционера ZPM – известный американский певец Пэт Бун (пик его карьеры пришелся на 1950-е годы) и кинопродюсер Эйтан Такер («Шрек», «Семь лет в Тибете» и др.). Они предлагали потенциальным инвесторам (т. н. «бизнес-ангелам») 50% акций ZPM за 5 млн долларов.

Инвесторы раскошеливаться не спешили. При этом считавшийся наиболее перспективным из них Роберт Херьявец, владелец и основатель канадской IT-компании Herjavec Group, заявил, что ему интересны продажи AIRPod не в одном отдельно взятом штате, а на территории всех США. Так что в настоящее время руководство ZPM ведет переговоры с французами о расширении территории продаж.

Среди основных направлений инженерных поисков, таких как электромобили, гибридные автомобили и автомобили на водородном топливе. Водородное топливо и другие, общедоступные технологии получения дешевой энергии, находятся под строгим запретом мировых нефтяных и промышленных монополистов. Однако, прогресс не остановить и потому, некоторые предприятия и отдельные энтузиасты продолжают создавать уникальные транспортные средства.

Сегодняшняя тема разговора касается именно пневмомобилей. Пневмомобиль является как бы продолжением темы парового автомобиля, одной из многочисленных ветвей использования двигателей, работающих за счет разности давлений газов. Кстати, паровой двигатель был изобретен задолго до появления первой паровой машины Джеймса Уатта, более 2 тысяч лет назад, Героном Александрийским. Идею Герона развил и воплотил в небольшую тележку бельгиец Фердинанд Вербист, в 1668 году

История создания автомобиля доносит до нас не так много информации об успешных и неудачных попытках изобретателей применить в качестве двигателя простой и дешевый механизм. Вначале были попытки использования силы большой пружины и силы маховика. Эти механизмы прочно закрепили свои позиции в детских игрушках. Но применение их в качестве двигателя полноразмерного автомобиля кажется несерьезным. Тем не менее, такие попытки продолжаются и похоже на то, что уже в скором будущем, необычные автомобили смогут уверенно конкурировать с автомобилями, оснащенными ДВС.

Несмотря на кажущуюся бесперспективность данного направления работ в области автомобильного транспорта, пневмомобиль имеет очень много достоинств. Это чрезвычайная простота и надежность конструкции, ее долговечность и низкая стоимость. Такой двигатель бесшумен и не загрязняет воздух. Видимо все это и привлекает многочисленных сторонников такого вида транспорта.

Идея использования сжатого воздуха для привода механизмов и транспорта, возникла давно и была запатентована в Великобритании, еще в 1799 году. Видимо возникла она из желания максимально упростить паровой двигатель и сделать его предельно компактным, чтобы использовать на автомобиле. Практическое использование пневмодвигателя было осуществлено в Америке, в 1875 году. Там строили шахтные локомотивы, которые работали на сжатом воздухе. Первый легковой автомобиль с пневмодвигателем, впервые был продемонстрирован в 1932 году, в Лос-Анджелесе.

С появлением парового двигателя, изобретатели пытались установить его на «Самобеглые коляски», но громоздкий и тяжелый паровой котел оказался неприспособленным к такому виду транспорта.
Предпринимались попытки использования электродвигателя и аккумуляторных батарей для самодвижущегося транспорта, и были достигнуты определенные успехи, но двигатель внутреннего сгорания оказался вне конкуренции, на то время. В результате жестокой конкурентной борьбы между ним и паровым двигателем, победил все-таки двигатель внутреннего сгорания.

Несмотря на множество недостатков, этот двигатель и сегодня доминирует во многих сферах жизнедеятельности человечества, в том числе и во всех видах транспорта. О недостатках двигателя внутреннего сгорания и необходимости найти ему достойную замену, все чаще говорят в научных кругах и пишут в различных популярных изданиях, но все попытки запуска новых технологий в массовое производство, жеско блокируются.

Инженеры и изобретатели создают интереснейшие и перспективные двигатели, способные полностью заменить ДВС, но мировые нефтяные и промышленные монополисты используют свои рычаги давления для того, чтобы не допустить отказа от ДВС и использования новых, альтернативных источников энергии.

И все же, попытки создания серийного автомобиля без двигателя внутреннего сгорания, или с его частичным, второстепенным использованием, — продолжаются.

Индийская фирма Tata Motors готовится запустить в серийное производство небольшой городской автомобиль Tata AIRPOD, двигатель которого работает на сжатом воздухе.

Американцы тоже готовят к массовому производству шестиместный автомобиль CityCAT,
работающий на сжатом воздухе. При длинне 4.1м. и ширине 1.82м., автомобиль весит 850 килограмм. Он может развивать скорость до 56 км/час и преодолевать расстояние до 60 километров. Показатели весьма скромные, но для города вполне терпимые, с учетом многочисленных достоинств автомобиля и его весьма низкой стоимости.Каковы же они, эти достоинства?

Все, кто имеет автомобиль, или имеют отношение к автомобильному транспорту, прекрасно знают насколько сложен конструктивно современный автомобильный двигатель внутреннего сгорания. Помимо того, что сам двигатель конструктивно достаточно сложен, ему требуется система дозировки и впыска топлива, система зажигания, стартер, система охлаждения, глушитель, механизм сцепления, коробка передач и сложная трансмиссия.

Все это делает двигатель дорогим, ненадежным, недолговечным и непрактичным. Я уже не говорю о том, что выхлопные газы отравляют воздух и окружающую среду.

Пневмодвигатель — полная противоположность двигателю внутреннего сгорания. Он предельно прост, компактен, бесшумен, надежен и долговечен. При необходимости, его можно разместить даже в колесах автомобиля. Существенный минус этого двигателя, не позволяющий свободно использовать его на автотранспорте, ограниченный пробег с одной заправки.

Чтобы увеличить дальность пробега пневмомобиля, нужно увеличить объем воздушных баллонов и повысить давление воздуха в баллонах. И то, и другое имеет жесткие ограничения по габаритам, по весу и по прочности баллонов. Может быть когда нибудь эти проблемы будут решены, а пока применяются так называемые гибридные схемы двигательных установок.

В частности, для пневмомобиля предлагается использовать маломощный двигатель внутреннего сгорания, который осуществляет постоянную подкачку воздуха в рабочие баллоны. Двигатель работает постоянно, подкачивая воздух в баллоны, и выключается лишь когда давление в баллонах достигнет макисмального значения. Такое решение позволяет значительно сократить расход бензина, выброс угарного газа в атмосферу и увеличить дальность пробега пневмомобиля.

Подобная гибридная схема является универсальной и успешно применяется, в том числе и на электромобилях. Разница лишь в том, что вместо баллона со сжатым воздухом используется электрический аккумулятор, а вместо пневмодвигателя — электродвигатель. Маломощный ДВС вращает электрический генератор, который подзаряжает аккумуляторы, а те, в свою очередь, питают электродвигатели.

Суть любой гибридной схемы в том, чтобы пополнять расходуемую энергию, при помощи двигателя внутреннего сгорания. Это позволяет использовать двигатель меньшей мощности. Он работает в наивыгоднейшем режиме и потребляет меньше топлива, а значит и выбрасывает меньше токсичных веществ. Пневмомобиль, или электромобиль получают возможность увеличить пробег, ведь затраченная энергия частично пополняется, непосредственно во время движения.

Во время частых остановок у светофоров, при движении накатом и спусках с уклонов, тяговый двигатель не потребляет энергии и происходит чистая подзарядка баллонов, или аккумуляторов. Во время длительных стоянок, пополнять запасы энергии лучше от стандартной заправочной колонки.

Представьте, что Вы приехали на работу, автомобиль стоит на стоянке, а двигатель продолжает работать, пополняя запасы энергии в баллонах. Не окажется ли это сводящим на нет все преимущества гибридного автомобиля? Не получится ли, что экономия бензина окажется не столь сущестенной, как хотелось бы?

В дни своей далекой юности, я тоже подумывал о пневмодвигателе для самодельного автомобиля. Только направление моих поисков имело химический характер. Хотелось найти такое вещество, которое вступало бы в бурную реакцию с водой, или другим веществом, выделяя при этом газы. Тогда мне не удалось найти ничего подходящего и идея была навсегда заброшена.

Зато появилась другая идея — почему бы вместо высокого давления воздуха не использовать вакуум? Если баллон со сжатым воздухом подвергнется каким либо повреждениям, или давление воздуха превысит допустимое, то это чревато мгновенным его разрушением, наподобие взрыва. Вакуумному баллону такое не грозит, его может просто сплющить атмосферным давлением.

Чтобы получить высокое давление в баллоне, порядка 300 бар, нужен специальный компрессор. Чтобы получить вакуум в баллоне, достаточно впустить внутрь порцию обычного водяного пара. Остывший пар превратится в воду, уменьшившись в объеме в 1600 раз и… цель достигнута, частичный вакуум получен. Почему частичный? Да потому, что выдержать глубокий вакуум не всякий баллон сможет.

Дальше все просто. Чтобы автомобиль мог проехать на одном баллоне возможно дальше, нужно подавать в пневмодвигатель не воздух, а пар. Совершив работу, пар проходит через систему охлаждения, где остывает и превратившись в воду, попадает в вакуумный баллон. То-есть, если через двигатель пропущен пар, скажем в 1600 см.3, то в баллон попадет всего 1 см.3 воды. Таким образом, в вакуумный баллон поступает лишь незначительное количество воды и продолжительность его работы увеличивается многократно.

Вернемся, однако, к нашим пневмомобилям. Индийская компания Tata Motors собирается серийно выпускать компактный городской автомобиль, работающий на сжатом воздухе. Компания утверждает, что их пневмомобиль способен разгоняться до 70 км/час и преодолевать до 200 километров с одной заправки.

В свою очередь, американцы также готовят к серийному выпуску шестиместный пневмомобиль CityCAT. В заявленных характеристиках значится, что разгоняться автомобиль сможет до 80 км/час и дальность пробега составит 130 км. Еще один пневмомобиль американской фирмы MDI, маленький трехместный MiniCAT также планируется запустить в серию.

Пневмомобилями заинтересовались многие фирмы. Австралия, Франция, Мексика и ряд других стран готовы также начать выпускать у себя этот непривычный пока, но обнадеживающий вид транспорта. Двигателю внутреннего сгорания таки прийдется сойти с арены и уступить место другому двигателю, более простому и надежному. Когда это произойдет, пока сказать трудно, но произойдет непременно. Прогресс не может стоять на месте.

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.

К каким только способам не прибегают авто производители дабы привлечь внимание потребителей. Покупателя околдовывают модным футуристическим дизайном, беспрецедентными мерами безопасности, применением более экологичных двигателей и т.д и т.п.

Лично меня не очень трогают последние изыски различных дизайнерских студий - даже более того: для меня автомобиль был и будет оставаться неодушевлённым куском металла и пластика и все потуги маркетологов рассказать мне о том, как высоко в небо должна устремиться моя самооценка после покупки «нашей новейшей модели» есть ни что иное, как сотрясение воздуха. Ну по крайней мере лично для меня.

Более волнующая меня, как автовладельца, тема - вопросы экономичности и живучести. Топливо стоит далеко не три копейки, к тому же на просторах «великого и могучего» слишком много последователей Василия Алибабаевича из «Джентльменов удачи». Переключиться на использование альтернативных видов топлива авто производители пытаются уже давно. В США электрокары заняли довольно прочные позиции, однако позволить себе приобрести такую машинку может далеко не каждый - дорого очень. Вот если бы электрическими делали машины бюджетного класса…

Интересную цель поставили перед собой французские производители PSA Peugeot Citroen , ими инициирована интересная программа по снижению расхода топлива. Эта группа авто производителей ведёт разработки гибридной силовой установки которая смогла бы тратить всего два литра топлива на сто километров пути. Инженерам компании уже есть, что показать - сегодняшние наработки позволяют экономить до 45% топлива в сравнении с обыкновенным ДВС: пусть даже с такими показателями в два литра на сотню пока что не влезть, но к 2020 году обещают покорить и этот рубеж.

Заявления довольно смелые и интересные, однако интереснее было бы поближе взглянуть на эту столь гибридную и не менее экономичную установку. Система называется Hybrid Air и как становится понятным из её названия помимо традиционного топлива использует энергию воздуха, сжатого воздуха.

Концепция Hybrid Air не столь сложна и представляет собой гибрид трёх цилиндрового двигателя внутреннего сгорания и гидравлического двигателя - насоса. В качестве баков для альтернативного топлива в центральной части авто и под пространством багажника установлены два баллона: который побольше - для низкого давления; а тот, что поменьше, соответственно для высокого. Разгон автомобиля будет происходить на ДВС, после набора скорости в 70 км/ч в работу включается гидравлический двигатель. Посредством этого самого гидравлического двигателя и хитроумной планетарной трансмиссии энергия сжатого воздуха будет превращаться во вращательное движение колёс. Кроме того на таком авто предусмотрена и система рекуперации энергии - во время торможения гидравлический мотор выступает в роли помпы и закачивает воздух в баллон низкого давления - то есть столь желанная энергия не пропадёт даром.

Как заявляют инженеры компании автомобиль с гибридной установкой Hybrid Air, даже не смотря на большую на 100 кг по сравнению с традиционным мотором массу, будет иметь показатели топливной экономии на уровне не менее 45% и это при том, что изыски в данной области моторостроения далеки от завершения.

Ожидается, что гибридные системы первыми будут применяться на хэтчбеках Citroen C3 и Peugeot 208, а покататься на «воздухе» можно будет уже в 2016 году, причём в качестве основных рынков сбыта автомобилей с гибридом Hybrid Air французские менеджеры видят Россию и Китай.