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!

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.

Группа наших специалистов работает над разработкой пневматических приводов движения в области их применения на автомобильном транспорте и в приводах различных рабочих машин. Ими проделана огромная работа в этом направлении, но сначала можно сказать несколько слов о сегодняшней мировой тенденции в этом направлении работ.

Автомобили, работающие на сжатом воздухе.

Индийский автоконцерн Tata изучая возможность создания суперэкологичного легкового транспорта, работающего на сжатом воздухе, подписал соглашение с французской компанией MDI, которая разрабатывает экологически чистые двигатели, использующие в качестве топлива только сжатый воздух. Tata приобрела права на эти технологии для Индии и теперь изучает, где и как их можно использовать. Таtа уже давно готовила общественность к экологически чистому транспорту, который получает все большее распространение в Индии, где наблюдается настоящий автомобильный бум.

"Эта концепция как способ управления автомобилем очень интересна", - говорит управляющий директор индийской компании Рави Кант. Компания искала возможности для применения технологии "сжатого воздуха" для мобильных и стационарных целей, добавляет Кант.

И вот очередная сенсация от индийских производителей. Они запускают в серийное производство модель «Нано» по имени OneCAT, который будет иметь уже не бензиновый, а пневмомотор, работающий на сжатом воздухе. Заявленная цена революционной новинки — около пяти тысяч долларов. Под водительским сиденьем «Нано» стоит аккумулятор, а передний пассажир сидит прямо на топливном баке. Если заправлять автомобиль воздухом на компрессорной станции, это займет три-четыре минуты. «Подкачка» с помощью 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.

Экологически чистый микрогрузовичок Gator от компании Engineair - первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию, недавно приступил к своим обязанностям в Мельбурне. Грузоподъёмность этой тележки - 500 кг. Объём баллонов с воздухом - 105 литров. Пробег на одной заправке - 16 км. При этом заправка занимает несколько минут. В то время, как зарядка аналогичного электромобиля от сети заняла бы часы. Кроме того, аккумуляторы дороже баллонов, намного тяжелее их и являются загрязнителями окружающей среды после выработки ресурса и в процессе эксплуатации.

Такого рода авто уже работают и в гольф-клубах. Для передвижения игроков по полю лучшего средства не найти, ведь в роли выхлопных газов у пневмомобиля выступает все тот же воздух.

Идея пневмопривода проста — в движение машину приводит не сгорающая в цилиндрах мотора бензиновая смесь, а мощный поток воздуха из баллона (давление в баллоне — около 300 атмосфер). В этих автомобилях нет ни баков с топливом, ни аккумуляторов, ни солнечных батарей. Не нужны им ни водород, ни дизтопливо, ни бензин. Надёжность? Да тут почти нечему ломаться.

Так можно устроить привод легкового автомобиля по системе Ди Пьетро. Два роторных пневмодвигателя, по одному на колесо. И никакой трансмиссии - ведь пневмодвигатель выдаёт максимальный крутящий момент сразу - даже в неподвижном состоянии и раскручивается до вполне приличных оборотов, так что особой трансмиссии с переменным передаточным числом ему не нужно. Ну, а простота конструкции - это ещё один плюс в копилку всей идеи.

Воздушный двигатель имеет и ещё одно важное достоинство: он практически не требует профилактики, нормативный пробег между двумя техосмотрами составляет ни много ни мало 100 тысяч километров.

Большой плюс пневмомобиля и в том, что он практически не нуждается в масле — мотору хватит литра «смазки» на 50 тысяч километров пробега (для обычного авто потребуется порядка 30 литров масла). Не нужен пневмомобилю и кондиционер — отработанный мотором воздух имеет температуру от нуля до пятнадцати градусов Цельсия. Этого вполне достаточно для охлаждения салона, что для жаркой Индии, где планируют выпускать машину, немаловажно.

В Штатах должны строить модель CityCAT. Это шестиместная легковушка с большим багажником. Вес машинки составит 850 килограммов, длина — 4,1 м, ширина — 1,82 м, высота — 1,75 м. Это авто сможет проезжать в городе до 60 километров только на одном сжатом воздухе и сможет разгоняться до 56 километров в час.

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. Воздух высокого давления либо закачивается в них на специальных компрессорных станциях, либо производится бортовым компрессором при его подключении к стандартной электросети напряжением в 220 вольт. В первом случае заправка занимает около 2-х минут, во втором - около 3,5 часов. Энергозатраты в обоих случаях составляют около 20 кВт/ч, что при нынешних ценах на электроэнергию эквивалентно стоимости полутора литров бензина. Немало преимуществ имеет автомобиль на сжатом воздухе и перед электромобилем: он значительно легче, заряжается вдвое быстрее и обладает аналогичным запасом хода.

Пневматические CityCAT’s Taxi и MiniCAT’s от Motor Development International.

Разработчики воздушного двигателя из компании MDI подсчитали суммарный 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. Кроме того, экологический баланс выглядит и ещё лучше, если использовать возобновляемые источники энергии.

Между тем, по данным фирмы MDI, в одной лишь Франции уже собрано более 60-ти тысяч предварительных заказов на воздушный автомобиль. Построить у себя заводы по его производству намерены Австрия, Китай, Египет и Куба. Огромный интерес к новинке проявили власти мексиканской столицы: как известно, Мехико является одним из самых загазованных мегаполисов мира, поэтому отцы города намерены как можно скорее заменить все 87 тысяч бензиновых и дизельных такси экологически чистыми французскими автомобилями.

Аналитики считают, что автомобиль на сжатом воздухе, неважно кем он создан (Tata, Engineair, MDI либо другими), вполне может занять свободную нишу на рынке подобно электромобилям, которые уже разработали или только тестируют другие производители.

Пневмопривод, за и против. Выводы, сделанные на основе работы наших специалистов

Пневмоприводные машины - это тема, на самом деле, не настолько перспективна, как о ней говорят индийские, французские или американские «эксперты», хотя и не лишена некоторых плюсов.

Сам пневмопривод не решает проблемы с топливом. Дело в том, что запас энергии сжатого воздуха очень небольшой и такой привод способен эффективно решать топливную проблему лишь для некоторых типов машин: пассажирских и грузовых мини-каров, погрузчиков и наиболее легких городских автомобилей (например - специальных такси). И не более того, если говорить о чистом пневматическом, а не о гибридном приводе (гибридный привод - это параллельная, но абсолютно отдельная тема).

Разрабатывая пневмопривод машины, нужно заниматься не пневмодвигателем, а именно пневмоприводом - целой системой, в которой пневмодвигатель является лишь составной частью. Хороший пневмопривод должен включать в себя несколько отдельных узлов:

1. Собственно пневмодвигатель - поршневой или роторный многорежимный двигатель (возможно, оригинальной конструкции), обеспечивающий высокую и переменную удельную тягу (момент вращения) при любых оборотах и при сохранении стабильно высокого объемного КПД (80-90%).

2. Систему подготовки впуска сжатого воздуха в цилиндры двигателя, которая обеспечивает автоматическую установку давления, дозировки и фазировки порций воздуха, направляемого в цилиндры двигателя.

3. Автоматический блок контроля нагрузки и скорости пневмомобиля - управляет пневмодвигателем и системой подготовки впуска сжатого воздуха в его цилиндры в соответствии с запросами оператора машины на скорость ее движения и нагрузкой на пневмоприводе.

Такой пневмопривод не будет иметь ни одной постоянной характеристики. Все его характеристики - мощность, момент вращения, частота вращения - автоматически изменяются от нуля до максимума в зависимости от условий работы и преодолеваемой нагрузки. Кроме того он может обладать реверсивностью хода и пневматическим механизмом принудительного торможения типа ретардера.

Только такой комплексный подход к решению проблемы пневмопривода позволит сделать его максимально эффективным, предельно экономичным и не требующим применения различных вспомогательных систем, таких как муфта сцепления или коробка перемены передач. Он же в состоянии повысить экономичность пневмосистемы на 15-30% в сравнении с мировыми аналогами.

За опытную машину с пневмоприводом лучше всего использовать специально сконструированный для этого автопогрузчик. Эта машина сможет показать себя и в движении и в работе. Для автопогрузчика проще сделать облицовочные панели, чем изготовить кузов легкового автомобиля, а кроме того погрузчик - машина принципиально тяжелая и вес стальных баллонов под сжатый воздух ей не помешает, а легкие углепласт-кевларовые баллоны на первом этапе работ обойдутся дороже чем вся машина. Свою роль сыграет и то, что отдельные узлы машины мы сможем использовать от серийных автопогрузчиков, а это позволит ускорить работу.

Кроме того, автопогрузчик - это одна из немногих машин, которую есть смысл делать с пневмоприводом, тем более - в качестве опытного образца.

Такая машина с пневмоприводом имеет некоторые преимущества перед своими дизельными и электрическими аналогами: - при серийном изготовлении она окажется дешевле в производстве, - запас энергии в баллонах аналогичный запасу энергии в аккумуляторах электропогрузчика, - время зарядки баллонов - несколько минут, а время зарядки аккумуляторных батарей - 6-8 часов, - пневмопривод практически не чувствителен к изменению температуры окружающего воздуха - при повышении температуры до +50º запас энергии увеличивается на 10% и с дальнейшим повышением температуры окружающей среды запас энергии пневмопривода только возрастает, не оказывая вредного воздействия (как у дизеля, который склонен к перегреву). При снижении температуры до -20º запас энергии пневмопривода снижается на 10% без каких либо других вредных воздействий на его работу, в то время, как запас энергии электрических батарей уменьшится в 2 раза, а дизель на таком холоде может и не завестись. При снижении температуры окружающей среды до -50º аккумуляторные батареи и дизеля практически не работают без специальных ухищрений, а пневмопривод лишь теряет около 25% запаса энергии. - такой пневмопривод может обеспечивать гораздо больший тягово-скоростной диапазон работы, чем тяговые электродвигатели электропогрузчиков или гидротрансформаторы дизельных погрузчиков.

Инфраструктура заправки и обслуживания машин с пневмоприводом может быть создана гораздо проще, чем подобная инфраструктура для обычных машин.

Пневмозаправка не требует подвоза и переработки топлива - оно находится вокруг нас и абсолютно бесплатно. Требуется только подвод электроэнергии.

Заправки пневмомобилей в каждом доме - вещь абсолютно реальная, только себестоимость домашней заправки пневмомобиля будет несколько выше, чем на магистральной пневмостанции.

Что же касается дозарядки пневмомобиля при торможении или движении с горы (так называемая рекуперация энергии), то по техническим причинам это сделать или очень сложно или экономически не выгодно.

Проблему рекуперации энергии у пневмоприводных машин решить гораздо сложнее, чем у электромобилей.

Если рекуперировать энергию (используя торможение автомобиля или его притормаживание при движении с уклона) при помощи генератора и компрессора, то цепочка рекуперации получается значительно длиннее: генератор - аккумулятор - преобразователь - электродвигатель - компрессор. При этом мощность рекуператора (системы рекуперации в целом и всех ее составляющих по отдельности) должна составлять около половины мощности пневмодвигателя машины.

У пневмомобиля механизм рекуперации энергии значительно сложнее и дороже чем у электромобиля. Дело в том, что генератор электромобиля, связанный с рекуперацией энергии, независимо от режима торможения автомобиля, возвращает в аккумуляторы энергию при стабильном напряжении. При этом сила тока зависит от режима торможения и особой роли в подпитке аккумулятора не играет. Именно этот процесс очень трудно обеспечить в пневмоприводе.

В рекуперации энергии пневмопривода аналогом напряжению является давление, а аналогом силе тока - производительность компрессора. И обе эти величины являются переменными, зависящими от режима торможения.

Чтобы было понятнее, рекуперация не будет происходить, если давление в баллонах составляет 300 атмосфер, а компрессор в выбранном режиме торможения создает только 200 атмосфер. В то же время режим торможения выбирается водителем индивидуально в каждом конкретном случае и подстраивается под условия движения, а не под эффективную работу рекуператора.

Существуют и другие проблемы, связанные с рекуперацией энергии у пневмомобилей.

Так что пневмопривод может быть довольно ограниченно применен при разработке очень узкой гаммы небольших автомобильчиков - тех же развозных тележек-каров, легких городских и клубных миниавтомобилей.

Модель открытого микроавтомобиля или грузового микрокара, работающих на сжатом воздухе. Идеальное средство передвижения для небольших городов и поселков в зонах жаркого климата. Абсолютно чистый выхлоп - чистый прохладный воздух, который может быть направлен на создание микроклимата пассажирам. Высокоэкономичный автоматизированный пневмопривод ее хода обеспечивает максимальную эффективность и автоматизацию управления ее движением не зависимо от изменения величины внешней нагрузки - сопротивления движению. Оригинальный пневматический двигатель с изменяемым моментом вращения не нуждается в применении коробки передач. Эффективность этого пневматического привода на 20% выше, чем у существующих аналогичных пневматических приводов других разработчиков и максимально приближена к теоретическому пределу использования энергии, запасенной в сжатом воздухе в баллонах машины.

/ 11
ХудшийЛучший

То, что пневмомобили смогут стать полноценной заменой бензиновому и дизельному транспорту, пока вызывает сомнения. Однако у двигателей, работающих на сжатом воздухе есть свой безусловный потенциал.Автомобили на сжатом воздухе используют электрический насос – компрессор для сжатия воздуха до высокого давления (300 – 350 Атм.) и аккумулируют его в резервуаре. Используя его для движения поршней, на подобии двигателя внутреннего сгорания, выполняется работа и автомобиль движется на экологически чистой энергии.

1. Новизна технологии

Несмотря на то, что автомобиль с воздушным двигателем кажется инновационной и даже футуристической разработкой, сила воздуха использовалась в управлении автомобилями еще в конце девятнадцатого – начале двадцатого века. Однако точкой отсчета в истории развития воздушных двигателей нужно считать семнадцатый век и разработки Дэни Папина для Академии наук Великобритании. Таким образом, принцип работы воздушного двигателя открыт более трехсот лет назад, и тем более странным кажется тот факт, что эта технология так долго не находила применения в автомобильной промышленности.

2. Эволюция автомобилей с воздушным двигателем

Первоначально двигатели, работающие на сжатом воздухе, использовались в общественном транспорте. В 1872 году Луи Мекарски создал первый пневматический трамвай. Затем, в 1898 году Хоудли и Найт усовершенствовали конструкцию, продлив цикл работы двигателя. В числе отцов-основателей двигателя на сжатом воздухе также нередко упоминают имя Чарльза Портера.

3. Годы забвения

Принимая во внимание долгую историю воздушного двигателя, может показаться странным, что эта технология не получила должного развития в двадцатом веке. В тридцатых годах был спроектирован локомотив с гибридным двигателем, работавшим на сжатом воздухе, однако доминирующей тенденцией в автомобилестроении стала установка двигателей внутреннего сгорания. Некоторые историки прозрачно намекают на существование «нефтяного лобби»: по их мнению, могущественные компании, заинтересованные в росте рынка сбыта продуктов нефтепереработки приложили все возможные усилия, чтобы исследования и разработки в сфере создания и усовершенствования воздушных двигателей никогда не были опубликованы.

4. Преимущества двигателей, работающих на сжатом воздухе

В характеристиках воздушных двигателей легко заметить множество преимуществ в сравнении с двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это дешевизна и очевидная безопасность воздуха, как источника энергии. Далее, упрощается конструкция двигателя и автомобиля в целом: в нем отсутствуют свечи зажигания, бензобак и система охлаждения двигателя; исключается риск протечки зарядных батарей, а также загрязнения природы автомобильными выхлопами. В конечном счете, при условии массового производства, стоимость двигателей на сжатом воздухе, скорее всего, окажется ниже, чем стоимость бензиновых двигателей.

Однако не обойдется и без ложки дегтя: согласно проведенным экспериментам, двигатели на сжатом воздухе в работе оказались более шумными, чем бензиновые двигатели. Но это не главный их недостаток: к сожалению, по своей производительности они также отстают от двигателей внутреннего сгорания.

5. Будущее автомобилей с воздушным двигателем

Новая эра для автомобилей, работающих на сжатом воздухе, началась в 2008-м году, когда бывший инженер Формулы 1 Гай Негре представил свое детище под названием CityCat – автомобиль с воздушным двигателем, который может развивать скорость до 110 км/ч и преодолевать без подзарядки расстояние в 200 километров Чтобы превратить пусковой режим пневматического привода в рабочий, было потрачено более 10 лет. Основанная с группой единомышленников компания стала называться Motor Development Internation. Ее первоначальный проект не был пневмомобилем в полном смысле этого слова. Первый двигатель Гая Негре мог работать не только на сжатом воздухе, но также на природном газе, бензине и дизеле. В моторе MDI процессы сжатия, воспламенения горючей смеси, а также сам рабочий ход проходят в двух цилиндрах разного объема, соединяющихся меж собой сферической камерой.

Испытывали силовую установку на хетчбэке Citroen AX. На низких скоростях (до 60 км/ч), когда потребляемая мощность не превышала 7 кВт, автомобиль мог передвигаться только на энергии сжатого воздуха, но при скорости выше указанной отметки силовая установка автоматически переходила на бензин. В этом случае мощность двигателя вырастала до 70 лошадиных сил. Расход жидкого топлива в шоссейных условиях составил всего 3 литра на 100 км - результат, которому позавидует любой гибридный автомобиль.

Однако команда MDI не стала останавливаться на достигнутом результате, продолжив работу над усовершенствованием двигателя на сжатом воздухе, а именно над созданием полноценного пневмомобиля, без подпитки газового или жидкого топлива. Первым стал прототип Taxi Zero Pollution. Этот автомобиль «почему-то» не вызвал интерес у развитых стран, в то время сильно зависящих от нефтяной промышленности. Зато Мексика заинтересовалась этой разработкой, и в 1997 году заключила договор о постепенной замене таксопарка Мехико (одного из самых загрязненных мегаполисов мира) на «воздушный» транспорт.

Следующим проектом стал тот самый Airpod с полукруглым стеклопластиковым кузовом и 80-килограммовыми баллонами со сжатым воздухом, полный запас которых хватал на 150-200 километров пути. Однако полноценным серийным пневмомобилем стал проект OneCat - более современная интерпретация мексиканского такси Zero Pollution. В легких и безопасных карбоновых баллонах под давлением в 300 бар может храниться до 300 литров сжатого воздуха.

Принцип работы двигателя MDI следующий: в малый цилиндр засасывается воздух, где он сжимается поршнем под давлением 18-20 бар и разогревается; подогретый воздух идет в сферическую камеру, где смешивается с холодным воздухом из баллонов, который мгновенно расширяясь и нагреваясь, увеличивает давление на поршень большого цилиндра, передающего усилие на коленвал.