Первый в мире серийный автомобиль с двигателем, работающим на сжатом воздухе, выпустила индийская компания Tata, известная на весь мир производством дешевых транспортных средств для небогатых людей.

Автомобиль Tata OneCAT весит 350 кг и может проезжать на одном запасе сжатого до давления в 300 атмосфер воздуха 130 км, разгоняясь при этом до 100 километров в час. Но такие показатели возможны только при максимально заполненных баках. Чем меньше плотность воздуха в них, тем ниже становится показатель максимальной скорости.

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.

Внутри там всё очень простенько:

Но это объяснимо, поскольку автомобиль позиционируется в основном для использования в такси. Кстати, задумка небезинтересная — в отличие от электромобилей с их проблемно утилизируемыми аккумуляторами и низким КПД заряд-разрадного цикла (от 50% до 70% в зависимости от уровня токов заряда и разряда), сжатие воздуха, его хранение в баллоне и последующее использование довольно экономично и экологично.

Если заправлять автомобиль Tata OneCAT воздухом на компрессорной станции, это займет три-четыре минуты. «Подкачка» с помощью встроенного в машину 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.

В пневмомобиле обычно нет никакой трансмиссии – ведь пневмодвигатель выдаёт максимальный крутящий момент сразу – даже в неподвижном состоянии. Воздушный двигатель также практически не требует профилактики, нормативный пробег между двумя техосмотрами составляет ни много ни мало 100 тысяч километров. А еще он практически не нуждается в масле - мотору хватит литра «смазки» на 50 тысяч километров пробега (для обычного авто потребуется порядка 30 литров масла).

Секрет нового автомобиля заключается в том, что его четырехцилиндровый двигатель объемом в 700 кубиков и весом всего в 35 килограммов работает на принципе смешивания сжатого воздуха с наружным, атмосферным воздухом. Этот силовой агрегат напоминает обычный двигатель внутреннего сгорания, но цилиндры у него разного диаметра — двое малых, приводных, и двое больших, рабочих. При работе двигателя наружный воздух засасывается в малые цилиндры, сжимается там поршнями и нагревается. Затем он выталкивается в два рабочих цилиндра и смешивается там с холодным сжатым воздухом, поступающим из бака. В результате воздушная смесь расширяется и приводит в движение рабочие поршни, а они — коленчатый вал двигателя.

Поскольку никакого сгорания в двигателе не происходит, его «выхлопными газами» будет только отработанный чистый воздух.

Разработчики воздушного двигателя из компании MDI подсчитали суммарный энергетический 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. К тому же сжатый воздух можно непосредственно запасать впрок, используя нестабильные возобновляемые источники энергии, вроде ветрогенераторов — тогда КПД получается еще выше.

При снижении температуры до –20С запас энергии пневмопривода снижается на 10% без каких-либо других вредных воздействий на его работу, в то время как запас энергии электрических батарей уменьшится примерно в 2 раза.

Кстати, отработанный в пневмодвигателе воздух имеет низкую температуру и может быть использован для охлаждения салона автомобиля в жаркое время года, то есть кондиционер вы получаете практически нахаляву, без лишних затрат энергии. Зато отопитель, увы, придется делать автономным. Но это куда лучше, чем у электромобиля — который вынужден тратить энергию как на отопление, так и на охлаждение.

Кстати, баллоны из стекло-углеволокна довольно безопасны — при повреждении они не взрываются, в них лишь появляются трещины, через которые воздух выходит наружу.

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.

Приводные устройства >

Пневматические двигатели (пневмодвигатели)

Пневмодвигатели, они же пневмомоторы - это устройства, преобразующие энергию сжатого воздуха в механическую работу. В широком смысле слова, механическую работу пневматического двигателя понимают как линейное или ротационное движение - однако, все же, пневмодвигатели, создающие линейное возвратно-поступательное движение, чаще называют пневмоцилиндрами, а понятие «пневматического двигателя» обычно ассоциируется с ротацией вала. В свою очередь, ротационные пневмодвигатели подразделяются, по принципу своей работы, на лопаточные (они же пластинчатые) и поршневые - компания Parker производит оба типа.

Мы думаем, что многие посетители нашего сайта не хуже нас знакомы с тем, что такое пневмодвигатель, какие они бывают, как их подбирать и прочими связанными с этими устройствами вопросами. Таким посетителям, наверное, хотелось бы сразу перейти к технической информации о предлагаемых нами пневматических двигателях:

• Серия P1V-P: радиальные поршневые, 74...228 Вт
• Серия P1V-M: пластинчатые, 200...600 Вт
• Серия P1V-S: пластинчатые, 20...1200 Вт, нержавеющая сталь
• Серия P1V-A: пластинчатые, 1,6...3,6 кВт
• Серия P1V-B: пластинчатые, 5,1...18 кВт

Для не столь хорошо знакомых с пневмомоторами наших посетителей, мы подготовили по ним некоторую основную информацию справочного и теоретического характера, которая, как мы надеемся, может оказаться кому-нибудь полезной:

Пневмомоторы существуют уже в течение примерно двух веков, и в наши дни довольно широко используются в промышленном оборудовании, ручном инструменте, в авиации (в качестве стартеров) и в некоторых других областях.

Существуют также и примеры применения пневматических моторов в конструкции автомобилей, работающих на сжатом воздухе - сначала еще на заре автомобилестроения в XIX веке, и позднее, в ходе нового интереса к «ненефтяным» автомобильным двигателям начиная с 80х годов XX века - однако, к сожалению, последний тип применения пока представляется малоперспективным.

Основными «конкурентами» пневмодвигателей являются электрические двигатели, которые претендуют на применение в тех же областях, что и пневматические двигатели. Можно отметить следующие общие преимущества пневматических двигателей перед электрическими:
- пневмотор занимает меньше места, чем соответствующий ему по основным параметрам электродвигатель
- пневмомотор обычно в несколько раз легче соответствующего электромотора
- пневмодвигатели без проблем выдерживают высокую температуру, сильную вибрацию, удары и другие внешние воздействия
- большинство пневмомоторов полностью пригодны для использования во взрывоопасных местах установки и сертифицированы по ATEX
- пневмодвигатели значительно более, чем электромоторы, толерантны к пускам/остановкам
- обслуживание пневматических моторов проводить значительно проще, чем электрических
- пневмодвигатели стандартно имеют возможность обратного хода
- пневмодвигатели, в целом, занчительно надежнее электродвигателей - благодаря простоте конструкции и малому количеству движущихся частей

Разумеется, несмотря на эти преимущества, сплошь и рядом, все же, применение электродвигателей оказывается более эффективным как с технической, так и с экономической точек зрения; однако там, где все же используется пневмопривод, это объясняется обычно одним или более из вышеперечисленных его преимуществ.

Принцип работы и устройства пластинчатого пневмодвигателя

Принцип работы пластинчатого пневмодвигателя
1 - корпус ротора (цилиндр)
2 - ротор
3 - лопатки
4 - пружина (толкает лопатки)
5 - торцевой фланец с подшипниками

Мы предлагаем пневмодвигатели двух типов: поршневые и пластинчатые (они же лопаточные); при этом, последние являются более простыми, надежными, совершенными и, как следствие, распространенными. Кроме того, они обычно и меньше поршневых пневмомоторов, что облегчает их установку в компактные корпуса использующих их устройств. Принцип работы пластинчатого электродвигателя практически обратен принципу работы пластинчатого компрессора: в компрессоре, подача вращения (от электродвигателя или двиигателя внутреннего сгорания) на вал вызывает вращение ротора с выезжающими из его пазов лопатками, и, таким образом, сокращение камер сжатия; в пневматическом двигателе, сжатый воздух подается на лопатки, что вызывает вращение ротора - то есть, энергия сжатого воздуха преобразуется в пневмодвигателе в механическую работу (вращательное движение вала).

Лопаточный пневмодвигатель состоит из цилиндра-корпуса, в котором на подшипниках размещен ротор - причем, размещен не прямо по центру полости, а со смещением относительно последнего. По всей длине ротора прорезаны пазы, в которые вставлены изготовленные из графита или иного материала лопатки. Лопатки выталикаются из пазов ротора действием пружин, прижимаясь к стенкам корпуса и образуя между своей, корпуса и ротора поверхностями полость - рабочую камеру.

Сжатый воздух подается на вход рабочей камеры (подавать его можно с обеих сторон) и толкает лопатки ротора, что, в свою очередь, вызывает вращение последнего. Сжатый воздух проходит в полости между платинками и поверхностями корпуса и ротора до выходного отверстия, через которое и выбрасывается в атмосферу. В пластинчатых пневмодвигателях, вращающий момент определяется площадью поверхности лопаток, подвергающейся давлению воздуха, и уровнем этого давления.

Как подобрать пневматический двигатель?

n	скорость
M	крутящий момент
P	мощность
Q	потребление СжВ
	Возможный режим работы
	Оптимальный режим работы
	Высокий износ (не всегда)

Для каждого пневматического двигателя, можно нарисовать график, показывающий зависимость крутящего момента M и мощности P, а также потребления сжатого воздуха Q, от скорости вращения n (пример размещен на рисунке справа).

Если двигатель простаивает или вращается в свободном режиме без нагрузки на выходном валу, он не развивает никакой мощности. Обычно, максимальная мощность развивается при торможении двигателя примерно до половины его максимальной скорости вращения.

Что касается крутящего момента, то в режиме свободного вращения он тоже равен нулю. Сразу же после начала торможения двигателя (при появлении нагрузки), крутящий момент начинает линейно расти до тех пор, пока двигатель не встанет. Однако, нельзя указать точное значение стартового крутящего момента - по той причине, что лопасти (или поршни у поршневого пневмодвигателя) могут при его полной остановке находиться в разных положениях; указывают всегда только минимальный стартовый крутящий момент.

При этом следует отметить, что неправильный подбор пневматического двигателя чреват не только неэффективностью его работы, но и бóльшим его износом: на высоких скоростях, быстрее изнашиваются лопатки; на низких скоростях при высоком крутящем моменте, быстрее изнашиваются части трансмиссии.

Обычный подбор: нужно знать крутящий момент M и скорость n

При обычном подходе к подбору пневмодвигателя, начинают с установления вращающего момента при какой-либо определенной требуемой скорости. Другими словами, для подбора двигателя нужно знать требующиеся вращающий момент и скорость. Так как, как мы отметили выше, максимальная мощность развивается примерно при ½ максимальной (свободной) скорости пневмомотора, то, в идеале, следует выбирать пневмодвигатель, который показывает требуемую скорость и крутящий момент при значении мощности, близком к максимальному. Для каждого агрегата имеются соответствующие графики, позволяющие определить его пригодность для конкретного использования.

Небольшая подсказка: в общем случае, можно выбрать пневматический мотор, который при максимальной мощности обеспечивает слегка бóльшие, чем требуется, скорость и крутящий момент, а затем отрегулировать их путем регулирования давления редуктором-регулятором и/или расхода сжатого воздуха с помощью ограничителя потока.

Если момент силы M и скорость n не известны

В некоторых случаях, вращающий момент и скорость не известны, но известны требуемая скорость движения груза, момент рычага (радиус-вектор, или, проще говоря, расстояние от центра приложения силы) и потребляемая мощность. Исходя из этих параметров, можно рассчитать вращающий момент и скорость:

Сначала, хотя эта формула и не поможет напрямую в расчете требуемых параметров, уточним, что является мощностью (она же в случае пневмодвигателей - вращающая сила). Итак, мощность (сила) является произведением массы на ускорение свободного падения:

Где
F - искомая мощность [Н] (помним, что ),
m - масса [кг],
g - ускорение свободного падения [м/с²], в Москве ≈ 9,8154 м/c²

Например, на иллюстрации справа к барабану, зарепленному на выходном валу пневмодвигателя, подвешен груз массой 150 кг. Происходит дело на Земле, в городе Москва, и ускорение свободного падения составляет примерно 9,8154 м/с². В этом случае, сила составляет примерно 1472 кг·м/c², или 1472 Н. Еще раз повторимся, что эта формула не имеет прямого отношения к предлагаемым нами методам подбора пневмодвигателей.

Вращающий момент, он же момент силы, это сила, прилагаемая для придания объекту вращения. Момент силы является произведением вращающей силы (рассчитанной по формуле выше) и расстояния от центра до точки ее приложения (момент рычага, или, проще говоря, расстояние от центра вала пневмодвигателя до, в данном случае, поверхности закрепленного на валу барабана). Рассчитываем момент силы (он же вращающий, он же крутящий момент):

Где
M - искомый момент силы (вращающий момент) [Н·м],
m - масса [кг],
g - ускорение свободного падения [м/с²], в Москве ≈ 9,8154 м/c²
r - момент рычага (радиус от центра) [м]

Например, если диаметр вала+барабана составляет 300 мм = 0,3 м, и, соответственно, момент рычага = 0,15 м, то вращающий момент составит примерно 221 Н·м. Вращающий момент - это один из необходимых параметром для подбора пневмодвигателя. По формуле выше его можно рассчитать, исходя из знания массы и момента рычага (в подавляющем большинстве случаев различиями в ускорении свободного падения можно пренебречь из-за редкости применения пневматических двигателей в космосе).

Скорость вращения ротора пневматического двигателя можно рассчитать, зная скорость поступательного движения нагрузки и момент рычага:

Где
n - искомая скорость вращения [мин -1 ],
v - скорость поступательного движения нагрузки [м/с],
r - момент рычага (радиус от центра) [м],
π - константа 3,14
Поправочный коэффициент 60 введен в формулу для того, чтобы перевести обороты в секунды в более удобные для восприятия и более широко распространенные в технической документации обороты в минуту.

Например, при поступательной скорости 1,5 м/с и предложенном и в предидущем примере моменте рычага (радиусе) 0,15 м, требуемая скорость вращения вала составит примерно 96 об/мин. Скорость вращения является еще одним нужным для подбора пневматического мотора параметром. По формуле выше ее можно рассчитать, зная момент рычага и скорость поступательного движения нагрузки.

Где
P - требуемая мощность [кВт] (помним, что ),
M - момент силы, он же крутящий момент [Н·м],
n - скорость вращения [мин -1 ],
9550 - константа (равна 30/π для преобразования скорости из радиан/с в обороты/мин, с умножением на 1000 для преобразования ватт в более удобные для восприятия и более распространенные в технической документации киловатты)

Например, если крутящий момент составляет 221 Н·м при скорости вращения 96 мин -1 , то требуемая мощность составит примерно 2,2 кВт. Разумеется, из этой формулы можно вывести и обратные: для вычисления вращающего момента или скорости вращения вала пневматического мотора.

Типы трансмиссии (редуктора)

Как правило, вал пневмодвигателя соединяется с реципиентом вращения не напрямую, а через интегрированную в конструкцию пневмодвигателя трансмиссию-редуктор. Редукторы бывают разных типов, основными из которых являются планетарные, геликоидальные и червячные.

Планетарный редуктор

Планетарные редукторы характеризуются высоким КПД, низким инерционным моментом, возможностью создания высоких передаточных чисел, а также небольшими, по отношению к создаваемому крутящему моменту, габаритами. Выходной вал всегда находится в центре корпуса планетарной передачи. Части планетарного редуктора смазываются смазкой, что означает, что пневмомотор с таким редуктором можно установить в любом желаемом положении.
+ небольшие установочные размеры
+ свобода при выборе положения установки
+ простое фланцевое соединение
+ небольшая масса
+ выходной вал находится в центре
+ высокая эффективность работы

Геликоидальный редуктор

Геликоидальные трансмиссии также отличаются высокой эффективностью. Несколько ступеней редуцирования позволяют достичь высоких передаточных чисел. Удобству и гибкости в установке способствует центральное расположение выходного вала и возможность установки пневматического двигателя с геликоидальным редуктором как на фланец, так и на стойках.

Однако, подобные редукторы смазываются разбрызгиванием масла (имеется своего рода «масляная ванна», в которую всегда должны быть частично погружены движущиеся части редуктора), и, поэтому, положение пневматического двигателя с подобной передачей должно быть определено заранее - с учетом этого, будет определен и надлежащий объем масла, который должен быть залит в трансмиссию, и положение заливных и сливных штуцеров.
+ высокая эффективность
+ простая установка через фланец или стойки
+ относительно низкая цена
- необходимость заранее планировать установочное положение
- более высокая, чем у планетарных или червячных редукторов, масса

Червячный редуктор

Червячные передачи отличаются относительно простой конструкцией, на основе шнека и шестерни, благодаря чему с помощью такого редуктора можно получить высокие передаточные числа при малых габаритных размерах. Однако, эффективность червячной передачи значительно ниже, чем планетарной или геликоидальной.

Выходной вал направлен под углом 90° по отношению к валу пневмодвигателя. Установка пневмодвигателя с червячной передачей возможна как через фланец, так и на стойках. Однако, как и в случае с геликоидальными передачами, она несколько осложняется тем, что червячные редукторы, как и геликоидальные, тоже используют смазку разбрызгиванием масла - поэтому, установочное положение таких систем тоже нужно знать заранее, т.к. оно повлияет на объем заливаемого в редуктор масла, а также на положение заливных и дренажных присоединений.
+ низкая, по отношению к передаточному числу, масса
+ относительно низкая цена
- относительно низкий КПД
- необходимо заранее знать установочное положение
+/- выходной вал находится под углом 90° к валу пневмомотора

Методы регулировки пневмодвигателей

В таблице ниже показаны два основных способа регулирования работы пневматических двигателей:

Регулирование расхода Основным методом регулирования работы пневмодвигателей является установка на входе одноходового двигателя регулятора расхода сжатого воздуха (ограничителя потока). В тех случаях, когда предполагается реверс двигателя, и нужно ограничить его скорость в обоих направлениях, регуляторы с байпасными линиями следует установить на обеих сторонах пневмодвигателя. Ограничение подачи или выхода на 1-ходовом моторе Ограничение подачи на моторе с обратным ходом Ограничение выхода на моторе с обратным ходом При регулировании (ограничении) подачи в пневмодвигатель сжатого воздуха, при сохранении его давления, свободная скорость вращения ротора пневматического двигателя падает - при сохранении, однако, полного давления сжатого воздуха на поверхность лопастей. Кривая изменения крутящего момента становится более крутой: Кривая крутящего момента Это значит, что на низких скоростях вращения от пневмодвигателя возможно получить полный крутящий момент. Однако, это также означает, что при равной скорости вращения, мотор развивает меньший крутящий момент, чем он развил бы при подаче полного объема сжатого воздуха.

Регулирование давления Скорость и вращающий момент пневмомотора можно также регулировать путем изменения давления поступающего на него сжатого воздуха. Для этого, на входном трубопроводе устанавливают редуктор-регулятор давления. В результате, мотор постоянно получает неограниченный объем сжатого воздуха, но при меньшим давлении. При этом, при появлении нагрузки, он развивает на выходном валу меньший крутящий момент. Регулирование давления Регулирование давления Уменьшение входного давления сжатого воздуха снижает крутящий момент, создаваемый мотором при торможении (появлении нагрузки), но также и снижает скорость.

Контроль работы и направления вращения

Пневматический двигатель работает, когда в него подается, и когда из него выходит, сжатый воздух. Если требуется обеспечить вращение вала пневмодвигателя только в одном направлении, то подача сжатого воздуха должна быть предусмотрена только на один из пневмовходов агрегата; соответственно, если нужно, чтобы вал пневмодвигателя вращался в двух направлениях, то нужно предусмотреть чередование подачи сжатого воздуха между обоими входами.

Подача и отвод сжатого воздуха осуществляется с помощью контрольных клапанов. Они могут быть разными по способу активации: наиболее распространены клапаны с электрическим управлением (электромагнитные, они же соленоидные, открытие или закрытие которых производится путем подачи напряжения на индукционную катушку, втягивающую в себя поршень), с пневматическим управлением (когда сигнал на открытие или закрытие подается путем подачи сжатого воздуха), механические (когда открытие или закрытие вызывается механически, путем автоматического нажатия на некую кнопку или рычаг) и ручные (сходные с механическими, за исключением того, что открытие или закрытие клапана производится непосредственно человеком).

Самый простой случай мы видим, конечно, у односторонних пневмомоторов: для них, нужно обеспечить только подачу сжатого воздуха на один из входов. Контролировать каким-либо образом выход сжатого воздуха из другого пневматического присоединения пневмомотора нет необходимости. В этом случае, достаточно установки на входе сжатого воздуха в пневмодвигатель 2/2-ходового соленоидного клапана, или иного 2/2-ходового клапана (напомним, что конструкция «X/Y-ходовой клапан» означает, что у этого клапана имеется X портов, через которые может производится подача или отвод рабочей среды, и Y положений, в которых может находиться рабочая часть клапана). На рисунке справа, правда, показано использование 3/2-ходового клапана (еще раз повторим, что в случае с одноходовыми пневматическими моторами не принципиально, какой клапан использовать - 2/2-ходовой или 3/2-ходовой). Вообще, на рисунке справа последовательно, слева направо, схематично показаны следующие устройства: отсечной кран, фильтр сжатого воздуха, регулятор давления, 3/2-ходовой клапан, регулятор расхода, пневмодвигатель.

В случае с двухсторонними двигателями, задача незначительно усложняется. Первым вариантом является использование одного 5/3-ходового клапана - такой клапан будет иметь 3 положения (остановка, передний ход, реверс) и 5 портов (один для входа сжатого воздуха, по одному на подачу сжатого воздуха на каждый из двух пневмоприсоединений пневмодвигателя, и еще по одному для отвода сжатого воздуха от каждого из этих же двух присоединений). Конечно, такой клапан будет иметь и не менее двух актуаторов - в случае, например, с соленоидным клапаном, это будут 2 индукционные катушки. На рисунке справа показаны последовательно, слева направо: 5/3-ходовой клапан, регулятор расхода со встроенным обратным клапаном (чтобы сжатый воздух мог выйти), пневмодвигатель, еще один регулятор расхода с обратным клапаном.

Альтернативным вариантом управления двухходовым пневмомотором является использование двух раздельных 3/2-ходовых клапанов. Принципиально такая схема не отличается от описанного в предыдущем абзаце варианта с 5/3-ходовым клапаном. На рисунке справа последовательно, слева направо, показаны: 3/2-ходовой клапан, регулятор расхода со встроенным обратным клапаном, пневмодвигатель, еще один регулятор расхода со встроенным обратным клапаном, и еще один 3/2-ходовой клапан.

Глушение шума

Шум, создаваемый пневмодвигателем при работе, складывается из механического шума от движущихся частей и из шума, создаваемого пульсацией сжатого воздуха, выходящего из двигателя. Влияние шума от пневмодвигателя может довольно заметно сказываться на общем шумовом фоне в месте установки - если, например, позволить сжатому воздуху свободно выходить из пневмомотора в атмосферу, то уровень звукового давления может доходить, в зависимости от конкретного агрегата, до 100-110 дБ(А) и даже больше.

Во-первых, нужно стараться, по возможности, избегать создания эффекта механического резонанса звука. Но даже в наилучших условиях, шум может все равно быть очень заметным и некомфортным. Для устранения шума, следует использовать фильтры-глушители - несложные устройства, специально предназначенные для этой цели и рассеивающие в своем корпусе и фильтрующем материале поток сжатого воздуха.

По материалу конструкции, глушители подразделаются на изготовленные из синтерированной (то есть превращенной в порошок, и затем сформованной/спеченной при высоком давлении и температуре) бронзы, меди или нержавеющей стали, синтерированных же пластиков, а также на сделанные из сплетенной проволоки, заключенной в сетчатый стальной или алюминиевый корпус, и сделанные на основе других фильтрующих материалов. Первые два типа обычно бывают небольшими как по пропускной способности, так и по размеру, и недорогими. Такие глушители обычно ставят на сам пневмодвигатель или около него. Примером их могут служить, среди прочих, .

Глушители из проволочной сетки могут иметь очень большую пропускную способность (даже на порядки превышающую потребность в сжатом воздухе самого большого пневматического мотора), большой диаметр присоединения (из предлагаемых нами, до резьбы 2"). Проволочные глушители, как правило, загрязняются значительно медленнее, могут быть эффективно и многократно регенированы - но, к сожалению, и стоят они обычно значительно дороже синтерированных бронзовых или пластиковых.

Что касается размещения глушителей, то существует два основных варианта. Самым простым способом является навинтить глушитель непосредственно на пневмомотор (при необходимости, через переходник). Однако, во-первых, сжатый воздух на выходе пневмодвигателя обычно подвержен довольно сильным пульсациям, которые как уменьшают эффективность глушителя, так и, потенциально, снижают его срок службы. Во-вторых, глушитель не убирает шум совсем, а лишь снижает его - и при размещении глушителя на агрегате, шума, скорее всего, будет все равно довольно много. Поэтому, по возможности и при желании, для максимального снижения уровня звукового давления следует предпринять, выборочно или в совокупности, следующие меры: 1) установить между пневматическим мотором и глушителем некую раширительную камеру, снижающую пульсацию сжатого воздуха, 2) присоединить глушетиль через мягкий гибкий шланг, служащий для той же цели, и 3) вывести глушитель туда, где шум не будет никому мешать.

Следует также помнить, что изначально недостаточная пропускная способность глушителя (из-за ошибки в подборе) или его возникшая в ходе эксплуатации (частичная) блокировка от загрязенения могут привести к значительному сопротивлению, оказываемому глушителем потоку выходящего сжатого воздуха - что, в свою очередь, приводит к снижению мощности пневмодвигателя. Выбирайте (в том числе консультируясь с нами) достаточный по пропускной способности глушитель и затем, при его эксплуатации, следите за его состоянием!

Из всех современных альтернатив автомобилям с двигателем внутреннего сгорания наиболее необычно и интересно выглядят транспортные средства , работающие на сжатом воздухе . Парадоксально, но в мире уже существует немало подобных средств передвижения. Про них мы и расскажем в сегодняшнем обзоре.

Австралиец Дарби Бичено (Darby Bicheno) создал необычный мотоцикл-скутер с названием EcoMoto 2013. Это транспортное средство работает не от двигателя внутреннего сгорания, а от импульса, который дается сжатым воздухом из баллонов.

При производстве EcoMoto 2013 Дарби Бичено старался использовать исключительно экологически чистые материалы. Никакого пластика – только металл и слоеный бамбук, из которого сделаны большинство деталей этого транспортного средства.

– это еще не автомобиль, но уже и не мотоцикл. Данное транспортное средство также работает на сжатом воздухе и имеет при этом относительно высокие технические характеристики.

Трехколесная коляска AIRpod весит 220 килограммов. Она рассчитана на перевозку до трех человек, а управление осуществляется при помощи джойтика на лицевой панели этого полуавто.

AIRpod может проезжать на одном полном запасе сжатого воздуха 220 километров, развивая при этом скорость до 75 километров в час. Заправка баков «топливом» осуществляется всего за полторы минуты, а стоимость передвижения составляет 0,5 евро за 100 км.
А первый в мире серийный автомобиль с двигателем, работающим на сжатом воздухе, выпустила индийская компания Tata, известная на весь мир производством дешевых транспортных средств для небогатых людей.

Автомобиль Tata OneCAT весит 350 кг и может проезжать на одном запасе сжатого воздуха 130 км, разгоняясь при этом до 100 километров в час. Но такие показатели возможны только при максимально заполненных баках. Чем меньше плотность воздуха в них, тем ниже становится средний показатель скорости.

А рекордсменом по скорости среди существующих ныне автомобилей на сжатом воздухе является авто . На испытаниях, прошедших в сентябре 2011 года, это транспортное средство разогналось до показателя 129,2 километра в час. Правда, проехать ему при этом удалось лишь расстояние в 3,2 км.

Следует также отметить, что Toyota Ku:Rin – это не серийное пассажирское транспортное средство. Данную машину создали специально для того, чтобы в показательных заездах продемонстрировать все увеличивающиеся скоростные возможности машин с двигателями на сжатом воздухе.
Французская компания Peugeot придает новое значение термину «гибридный автомобиль». Если раньше таковым считалось авто, совмещающее в себе двигатель внутреннего сгорания с электромотором, то в будущем последний может быть заменен на двигатель на сжатом воздухе.

Автомобиль Peugeot 2008 в 2016 году станет первым в мире серийным авто, оснащенным инновационной силовой установкой Hybrid Air. Она позволит совмещать езду на жидком топливе, на сжатом воздухе и в комбинированном режиме.

Yamaha WR250R – первый мотоцикл на сжатом воздухе

Австралийская компания Engineair уже много лет занимается разработкой и производством двигателей, работающих на сжатом воздухе. Именно их продукцию и использовали инженеры из местного отделения компании Yamaha для создания первого в мире мотоцикла подобного типа.

Правда, в поездах Aeromovel нет собственного двигателя. Мощные струи воздуха исходят от рельсовой системы, по которой он передвигается. При этом отсутствие силовой установки внутри самого состава делает его очень легким.

Сейчас поезда Aeromovel ходят в аэропорту бразильского города Порто Алегри и в тематическом парке Taman Mini в Джакарте, Индонезия.

В большинстве стран мира автомобили с двигателями внутреннего сгорания пока являются основным средством передвижения. В странах «золотого миллиарда», где требования к авто намного выше, ситуация выглядит иначе – там автомобили, работающие на электричестве и других альтернативных видах топлива, сейчас становятся ведущим направлением в производстве.

Однако становление электромобиля как нового стандарта автопромышленности не остановило инициативу ученых и разработчиков новых видов транспортных средств.

За последние двадцать лет в мире было создано множество различных прототипов автомобилей: на водородном топливе, биотопливе, солнечных батареях и т.д. Однако нельзя с уверенностью заявить, что какая либо из этих альтернатив имеет реальные перспективы конкурировать с «традиционными» бензиновыми авто и электромобилями.

Проблема тут в том, что решающим фактором всегда является простота и дешевизна производства, и если альтернативный вариант нерентабелен, то все остальные его достоинства уже не имеют особого значения.

В такой ситуации эксперименты крупных автомобильных компаний имеют гораздо больше шансов на признание и массовое производство. Примером такой разработки является Air Hybrid, инновационная гибридная установка, состоящая из усовершенствованного двигателя внутреннего сгорания и гидравлического компрессора, спроектированная и созданная специалистами PSA Peugeot Citroen.

Этот французский концерн, объединивший в себе потенциал двух известных автомобильных компаний, ставил своей целью создание нового типа двигателя, в котором вместо электричества будет использоваться сжатый воздух. Air Hybrid стал успешным завершением очередного этапа программы компании, которая направлена на уменьшения расхода топлива в автомобилях марки до рекордных 2 литров на 100 километров пути.

Революционность Air Hybrid в том, что такой двигатель может работать сразу в трех режимах – только на сжатом воздухе, на бензине, а также одновременно на воздухе и на бензине. Одно из главных достоинств такого решения – это существенное снижение веса, которое само по себе так же является важным фактором в экономии топлива.

Гидравлическая система не только меньше весит, но и намного дешевле в производстве, чем традиционная система, включающая в себя аккумуляторные батареи. Кроме этого гидравлика надежнее – с ней становятся ненужными многие сложные электронные системы, которых в обычном автомобиле слишком много и которые управляют всем – от пуска двигателя до встроенного алкотестера.

Стоит отметить, что встроенные профессиональные алкотестеры, тестирующие водителя перед пуском двигателя – это популярное решение у многих европейских производителей автомобилей.

Новый гибридный двигатель от Peugeot Citroen состоит из бензинового двигателя, адаптированной трансмиссии эпициклического типа, где вместо электрического мотора будет применяться гидравлический компрессор.

В прототипе под полом автомобиля размещены два баллона, содержащие сжатый воздух – в одном воздух низкого, а в другом высокого давления.

На сжатом воздухе такой автомобиль может передвигаться со скоростью до 70 км/час, что является оптимальным для поездок по городу. Когда понадобится увеличить скорость, то можно будет переключиться на бензиновый двигатель, а для экстремального ускорения двигатели будут работать вместе.