Автомобили работающие на воздухе

Опубликовал История и Факты

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?

О распространении в будущем автомобилей на сжатом воздухе писал Жюль Верн в 1860 году. Но энергоёмкость сжатого воздуха, уступает бензину и по мере совершенствования бензиновых двигателей внутреннего сгорания идея утратила свою привлекательность.

 

В середине-конце XIX века идея использования энергии сжатого воздуха в качестве движущей силы на транспорте была распространена достаточно широко. На сжатом воздухе работали автомобили, трамваи, локомотивы и т.д. Пик распространения использования пневмопривода приходится на конец XIX века. Однако, с ростом добычи нефти двигатель внутреннего сгорания надолго вытеснил все прочие, кроме электрических, виды тяговых двигателей из транспорта. Пневматический привод в транспорте сохранился лишь в качестве привода вспомогательных механизмов: тормозов, открытия дверей и прочих, где не требуется затрат большого количества энергии, но использование пневмопривода значительно удобнее других приводов.

Существующие на сегодняшний день пневмомобили — это либо экспериментальные образцы, либо специальные транспортные средства для эксплуатации в условиях, в которых использование других видов двигателей затруднено: например в цехах с большой пожаро— и взрывоопасностью.

 

Воздух – неисчерпаем и бесплатен.  И, конечно же, использовать его, как  источник энергии, мечта многих инженеров любой отрасли.

В 1865 году И.Ф. Александровский, инженер-самоучка, построил подводную лодку с двигателем инженера Барановского, который работал на сжатом воздухе.

В качестве силовых агрегатов на лодке располагались два пневматических двигателя с приводом на гребной винт, мощностью 117 л. с. каждый. Воздух хранился в 200 чугунных баллонах, общим объемом 6 куб. м, давление в которых достигало 100 атмосфер. Кроме того, воздух использовался и для продувания цистерны главного балласта. Запас воздуха, по мнению изобретателя, должен был обеспечить трехчасовое плавание. Для пополнения запасов воздуха был предусмотрен компрессор. Также отработанный воздух использовался для дыхания находящихся внутри лодки. Однако, несмотря на ряд успешных испытаний, в 1871 году подлодка затонула.

 

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, 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.

 

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.

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 м3, 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.

 

Серийное производство

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.

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.

Два колеса или четыре?

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 O2 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, O2 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.

 

Перспективы автомобилей на воздухе

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.

Пневмодвигатель Анджело Ди Пьетро

Впервые в роли двигателя пневматический привод выступил еще в конце 19-го века. Тогда во французском городе Нант на линию общественного транспорта был выпущен трамвай, который приводился в движение энергией сжатого под высоким давлением воздуха. Первый экспериментальный легковой «воздушный» автомобиль был представлен в Лос-Анджелесе в 1932 году. К этой разработке быстро охладели, поскольку об экологии тогда мало кто задумывался, тем более что пневмодвигатели с бензиновыми моторами тогда конкурировать не могли. Прямо скажем, не могут и сейчас…

 

В конце семидесятых годов двадцатого столетия австралийский изобретатель Анджело Ди Пьетро создал принципиальной новый пневматический двигатель для автомобиля. Здесь нет цилиндров и поршней. Вместо этого в корпусе вращается кольцо, которое внутри опирается на специальные ролики, закрепленные на валу. За распределение воздуха по камерам, образованным лепестками, отвечает специальная система. Таким образом, изменяя свой объем, камеры вращают ротор, который в свою очередь предает усиление на колеса.

Двигатель Анджело Ди Пьетро имеет ряд преимуществ. Он легок и прост в конструкции: компактные пневмомоторы можно установить непосредственно на колеса. Кроме того, благодаря его способности выдавать свой максимальный крутящий момент на самых низких оборотах, отпадает необходимость в коробке передач.

Пневматический двигатель Николая Пустынского

В конце восьмидесятых главный конструктор Заволжского моторного завода Н. Пустынский разработал свой пневматический двигатель для автомобиля. Главное отличие этого мотора от похожих разработок заключалось в том, что Пустынский создал пневмодвигатель из обычного ДВС с сохранением 95% его деталей.

Общий принцип был сохранен. Сжатый под давлением 300 бар воздух подается в рабочую камеру, где расширяясь, толкает поршень и выходит наружу. Однако у автомобилестроителей двигатель на сжатом топливе по ряду причин большого интереса не вызвал, и сенсации не случилось. Но пневматическая установка применение все же нашла. На некоторых промышленных предприятиях электрокары были заменены дешевыми и практичными пневмокарами, оснащенные двигателями Пустынского.

 

Пневмодвигатель Гая Негре

До 1991 года инженер-испытатель Гай Негре был одним из ведущих конструкторов двигателей в Формуле-1. Каким образом идея о двигателе на сжатом воздухе заинтересовала этого человека? Возможно пригодился опыт в авиации, где большинство механизмов работают по принципу «обратный компрессор», а может будучи конструктором «Королевской гонки» и наблюдая за работой воздушной турбины, раскручивающей двигатель болида, он понял, какая большая энергия может храниться в баллонах со сжатым воздухом.

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.

Скептики считают пневмомашины неэффективным транспортным средством. В сравнение с традиционными автомобилями, это действительно так. Но перспектива у двигателей на сжатом воздухе все-таки есть. Во-первых, они могут успешно применяться в качестве движущей силы для муниципального и промышленного транспорта. Кроме того, пневмодвигатели могут выступать в роли помощника в гибридных системах. Так вышеописанные разработки дали толчок появлению нового типа транспортного средства — PHEV (pneumatic-hybrid electric vehicle), в котором пневматический привод сочетается с современным электродвигателем.

Сегодня MDI возвращается к началу своих разработок, когда использовался универсальный двигатель, способный работать не только на воздухе, но также на жидком и газообразном топливе. Французы оснастили похожей установкой рабочий прототип CityCat — автомобиль на сжатом воздухе, который стал ближе всех к массовому производству.

Транспорт на сжатом воздухе

Пневмовелосипеды

Трое студентов инженеры-механики из Университета штата Сан-Хосе; Даниэль Мекис, Деннис Шааф и Эндрю Мирович, спроектировали и построили велосипед, который работает на сжатом воздухе. Общая стоимость прототипа составила около 1000 долл. Максимальная скорость была зарегистрирована в мае 2009 года и составила 23 миль/ч. (37 км/час)

Мотоциклы и Мопеды

Мотоцикл на сжатом воздухе был сделан Эдвином Йи Юанем. Модель основана на Suzuki GP100 где Анжело Ди Пьетро использовал технологию сжатого воздуха. Также модель от австралийского дизайнера Дина Бенстеда на базе Yamaha WR250R.

В рамках ТВ-шоу «Планета Механики», Джем Стэнсфилд и Дик Стравбридж превратили обычный скутер в мопед на сжатом воздухе.

Источники:

 

Комментарии к новости
  1. Руслан7 августа 2020 06:59
    Я думаю это будет что то с чем, автомобили на воздухе ? Чтоооо ? Раньше такое можно было увидеть только в фантастических фильмах, а теперь люди могут реализовать это в нашу реальную жизнь, скоро и прищельцы прилетят, и роботов сделают, а еще через пару лет зомби апокалипсис начнется )0)
    Смешно, смешно и глупо..
Добавить комментарий
Добавить свой комментарий:
Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Это код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите сюда:

Опрос
Часто вы здесь бываете?

Статистика
ТОП Комментарии
Туннель в скале Guoliang
Интересные Места
Аврора
Интересная Природа
Перламутровые облака
Интересная Природа
Гость Катя пишет:
Чудо акробатики прям)) интересно сколько он тренировался, да еще наверно, сколько учился на роликах ездить, на руках
Мне кажется тут список можно продолжать и продолжать... Да и не зря же есть Параолимпийские игры, люди не сдаются. Я
Милана пишет:
Ох, 50 миллионов на маленьком кусочке губки. Ужас просто, и главное и микроволновка не помогает. А с другой стороны
Лиза пишет:
В наше время пальмовое масло почти во всех продуетах а производитель еще ухитряется скрывать, а когда и вовсе не писать