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.

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.

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

Дорожное шоу

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

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

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

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

Машина на сжатом воздухе.

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

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

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

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

Работа механизма подачи сжатого воздуха.

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

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

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

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

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

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

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

Движок ДиПьетро.

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

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