Кілька років тому світ облетіла новина про те, що індійська компанія Tata збирається запустити в серію автомобіль, що працює на стисненому повітрі. Плани так і залишилися планами, але пневматичні автомобілі явно стали трендом: щороку з'являється кілька цілком життєздатних проектів, а компанія Peugeot в 2016 році планувала поставити на конвеєр повітряний гібрид. Чому ж пневмокари раптово увійшли в моду?
Все нове - це добре забуте старе. Так, електромобілі в кінці XIX століття були популярнішими бензинових побратимів, потім вони пережили столітнє забуття, а потім знову «повстали з попелу». Те ж стосується і ПНЕВМОТЕХНІКА. Ще в 1879 році французький піонер авіації Віктор Татен спроектував літак A? roplane, який повинен був підніматися в повітря завдяки двигуну на стислому повітрі. Модель цієї машини успішно літала, хоча в повному розмірі літак побудований не був.
Родоначальником Пневмодвигуни на наземному транспорті став інший француз, Луї Мекарскі, який розробив подібний силовий агрегат для паризьких і Нантського трамваїв. У Нанті машини випробували в кінці 1870-х, а до 1900 року Мекарскі володів парком з 96 трамваїв, що доводило ефективність системи. Згодом пневматичний «флот» був замінений електричним, але початок був покладений. Пізніше пневмолокомотіви знайшли собі вузьку сферу повсюдного застосування - шахтне справу. У той же час почалися і спроби поставити повітряний двигун на автомобіль. Але до початку XXI століття ці спроби залишалися одиничними і не вартими уваги.
Плюси: відсутність шкідливих викидів, можливість заправки автомобіля в домашніх умовах, невисока вартість зважаючи на простоту конструкції двигуна, можливість застосування рекуператора енергії (наприклад, стиснення і накопичення додаткового повітря за рахунок гальмування автомобіля). Мінуси: низькі ККД (5-7%) і щільність енергії; необхідність в зовнішньому теплообміннику, оскільки при зменшенні тиску повітря двигун сильно переохолоджується; низькі експлуатаційні показники пневмоавтомобілей.
переваги повітря
Пневматичний двигун (або, як кажуть, пневмоцилиндр) перетворює енергію розширюється повітря в механічну роботу. За принципом дії він аналогічний гідравлічному. «Серце» пневмодвигателя - поршень, до якого прикріплений шток; навколо штока навита пружина. Повітря, що надходить в камеру, зі збільшенням тиску долає опір пружини і переміщує поршень. На фазі випуску, коли тиск повітря падає, пружина повертає поршень у вихідне положення - і цикл повторюється. Пневмоцилиндр цілком можна назвати «двигуном внутрішнього несгоранія».
Більш поширена мембранна схема, де роль циліндра виконує гнучка мембрана, до якої точно так же прикріплений шток з пружиною. Її перевага полягає в тому, що не потрібна така висока точність посадки рухомих елементів, не потрібні мастильні матеріали, а герметичність робочої камери підвищується. Існують також роторні (пластинчасті) пневмодвигатели - аналоги ДВС Ванкеля.
MDI airpod Крихітний тримісний пневмоавтомобіль французької MDI був представлений широкій публіці на Женевському автосалоні 2009 року. Він має право пересуватися по виділеним велодоріжкам і не вимагає наявності водійських прав. Мабуть, найперспективніший пневмокар.
Основні плюси пневмодвигателя - це його екологічність і низька вартість «палива». Власне, через безвідходності пневмолокомотіви і набули поширення в шахтному справі - при використанні ДВС в замкнутому просторі повітря швидко забруднюється, різко погіршуючи умови роботи. Відпрацьовані ж гази пневмодвигателя - це звичайне повітря.
Один з недоліків пневмоцилиндра - відносно низька щільність енергії, тобто кількість виробленої енергії на одиницю об'єму робочого тіла. Порівняйте: повітря (при тиску 30 МПа) має щільність енергії порядку 50 кВт • ч на літр, а звичайний бензин - 9411 кВт • год на літр! Тобто бензин як паливо ефективніше майже в 200 разів. Навіть з урахуванням не дуже високого ККД бензинового двигуна він «видає» в результаті близько 1600 кВт • год на літр, що значно вище, ніж показники пневмоцилиндра. Це обмежує всі експлуатаційні показники Пневмодвигуни і рухомих ними машин (запас ходу, швидкість, потужність і т. Д.). Крім того, пневмодвигун має відносно невеликий ККД - близько 5-7% (проти 18-20% у ДВС).
Tata minicat
Пневматика XXI століття
Актуальність екологічних проблем XXI століття змусила інженерів повернутися до давно забутої ідеї використання пневмоцилиндра в якості двигуна для дорожнього транспортного засобу. По суті, пневмоавтомобіль екологічніше навіть електромобіля, елементи конструкції якого містять шкідливі для навколишнього середовища речовини. У пневмоцилиндре ж - повітря і нічого крім повітря.
Тому основний інженерним завданням було приведення пневмокара до виду, в якому він міг би конкурувати з електромобілями за експлуатаційними характеристиками і вартості. Підводних каменів в цій справі безліч. Наприклад, проблема дегідратації повітря. Якщо в стислому повітрі буде хоча б крапля рідини, то через сильний охолодження при розширенні робочого тіла вона перетвориться на лід, і двигун просто затихне (або навіть потребують ремонту). Звичайний літній повітря містить приблизно 10 г рідини на 1 м3, і при наповненні одного балона потрібно затратити додаткову енергію (близько 0,6 кВт • год) на дегідратацію - причому ця енергія непоправна. Даний фактор зводить нанівець можливість якісної домашньої заправки - обладнання для дегідратації неможливо встановити і експлуатувати в домашніх умовах. І це лише одна з проблем.
Проте тема пневмоавтомобіля виявилася занадто привабливою, щоб про неї забути.
Шасі Peugeot 2008 Hybrid air На повному баку і повній заправці повітрям Peugeot 2008 Hybrid Air може проїхати до 1300 км.
Відразу в серію?
Одне з рішень, що дозволяють мінімізувати недоліки пневмодвигателя, - полегшення автомобіля. Дійсно, міський мікролітражці не потрібен великий запас ходу і швидкість, а ось екологічні показники в мегаполісі відіграють значну роль. Саме на це розраховують інженери франко-італійської компанії Motor Development International, які на Женевському автосалоні 2009 року представили світу пневмоколяску MDI AIRpod і її більш серйозний варіант MDI OneFlowAir. MDI почали «битися» за пневмокар ще в 2003-му, показавши концепт Eolo Car, але лише через десять років, набивши безліч шишок, французи прийшли до прийнятного для конвеєра рішенням.
MDI AIRpod - це щось середнє між автомобілем і мотоциклом, прямий аналог мотоколяскі- «інвалідки», як її часто називали в СРСР. Завдяки 5,45-сильному повітряному двигуну трехколесная малолітражка масою всього 220 кг може розігнатися до 75 км / год, а запас її ходу складає 100 км в базовому варіанті або 250 км в більш серйозної конфігурації. Цікаво, що у AIRpod взагалі немає керма - машина управляється джойстиком. У теорії вона може пересуватися як по дорогах загального користування, так і по велодоріжках.
У AIRpod є всі шанси на серійне виробництво, оскільки в містах з розвиненою велоструктурой, наприклад в Амстердамі, такі машинки можуть бути затребувані. Одна заправка повітрям на спеціально обладнаній станції займає близько півтори хвилини, а вартість пересування становить в результаті близько 0,5 на 100 км - дешевше просто нікуди. Проте заявлений термін серійного виробництва (весна 2014 роки) вже пройшов, а віз і нині там. Можливо, MDI AIRpod з'явиться на вулицях європейських міст в 2015-му.
O2 Pursuit Кросовий мотоцикл, побудований австралійцем Діном Бенстедом на шасі Yamaha, здатний розганятися до 140 км / год і безупинно їхати протягом трьох годин на швидкості 60 км / ч. Повітряний двигун системи Анжело ді П'єтро важить всього лише 10 кг.
Другий передсерійний концепт - це відомий проект індійського гіганта Tata, автомобіль MiniCAT. Проект був запущений одночасно з AIRpod, але, на відміну від європейців, індуси заклали в програму нормальний, повноцінний мікроавтомобіль з чотирма колесами, багажником і традиційною компоновкою (в AIRpod, зауважимо, пасажири і водій сидять спинами один до одного). Маса Tata трохи більше, 350 кг, максимальна швидкість - 100 км / год, запас ходу - 120 км, тобто MiniCAT в цілому схожий на машину, а не на іграшку. Цікаво, що в компанії Tata не мучилися з розробкою повітряного двигуна «з нуля», а за $ 28 млн придбали права на використання розробок MDI (що дозволило останньої утриматися на плаву) і вдосконалили двигун для приведення в рух більшого транспортного засобу. Одна з фішок цієї технології - використання тепла, що виділяється при охолодженні розширюється повітря, для нагріву повітря при заправці балонів.
Спочатку Tata збиралася поставити MiniCAT на конвеєр в середині 2012 року і виробляти близько 6000 одиниць на рік. Але обкатка триває, а серійне виробництво відкладено до кращих часів. За час розробки концепт встиг змінити ім'я (раніше він називався OneCAT) і дизайн, так що яка його версія надійде в підсумку в продаж, не знає ніхто. Здається, навіть представники Tata.
На двох колесах
Чим легше автомобіль на стисненому повітрі, тим він більш ефективний в плані експлуатаційних і економічних показників. Логічний висновок з цього твердження - чому б не зробити скутер або мотоцикл?
Цим перейнявся австралієць Дін Бенстед, який в 2011 році продемонстрував світові кросовий мотоцикл O2 Pursuit з силовим агрегатом, розробленим фірмою Engineair. Остання спеціалізується на вже згаданих роторних повітряних двигунах розробки Анжело ді П'єтро. По суті, це класичної компоновки «Ванкелем» без згоряння - ротор приводиться в рух подачею повітря в камери. Бенстед пішов при розробці від зворотного. Спершу він замовив Engineair двигун, а потім побудував навколо нього мотоцикл, використавши раму і частина елементів від серійної Yamaha WR250R. Машина вийшла напрочуд енергоефективної: на одній заправці вона проходить 100 км і в теорії розвиває максимальну швидкість 140 км / ч. Ці показники, до слова, перевищують аналогічні у багатьох електричних мотоциклів. Бенстед дотепно зіграв на формі балона, вписавши його в раму, - це дозволило заощадити місце; двигун в два рази компактніше свого бензинового побратима, а вільне місце дозволяє встановити другий балон, збільшивши пробіг мотоцикла в два рази.
Але, на жаль, O2 Pursuit залишився лише одноразової іграшкою, хоча і був номінований на престижну винахідницьку премію, засновану Джеймсом Дайсоном. Через два роки ідею Бенстеда підхопив інший австралієць, Дарбі Бічено, який запропонував створити за схожою схемі не мотоцикл, а суто міське транспортний засіб, скутер. Його EcoMoto 2013 повинен бути зроблений з металу і бамбука (ніякого пластику), але далі рендерів і креслень справа поки що не просунулася.
Крім Бенстеда і Бічено, схожу машину в 2010 році побудував Евін І Ян (його проект називався Green Speed Air Motorcycle). Всі три конструктора, до слова, були студентами Королівського технологічного інституту Мельбурна, і тому їх проекти схожі, використовують один і той же двигун і ... не мають шансу на серію, залишаючись дослідними роботами.
Змагання на швидкість У 2011 році спортивний автомобіль Toyota Ku: Rin встановив світовий рекорд швидкості для транспортних засобів, що приводяться в рух енергією стисненого повітря. Зазвичай пневмоавтомобілі не розганяють більш ніж до 100-110 км / год, концепт же Toyota показав офіційний результат 129,2 км / ч. З огляду на «заточеного» на швидкість, Ku: Rin на одній зарядці міг проїхати всього 3,2 км, але більше триколісний одномісному боліду і не було потрібно. Рекорд встановлений. Цікаво, що до того рекорд становив всього лише 75,2 км / год і був встановлений в Бонневілль болідом Silver Rod конструкції американця Дерека Маклиша влітку 2010 року.
Корпорації на старті
Вищесказане підтверджує, що у повітряних автомобілів майбутнє є, але, швидше за все, не в «чистому вигляді». Все-таки вони мають свої обмеження. Той же MDI AIRpod провалив абсолютно все краш-тести, оскільки його надлегка конструкція не дозволяла належним чином захищати водія та пасажирів.
А ось використовувати пневмотехнології в якості додаткового джерела енергії в гібридному автомобілі цілком реально. У зв'язку з цим компанія Peugeot оголосила про те, що з 2016 року частина кросоверів Peugeot 2008 буде випускатися в гібридному варіанті, одним з елементів якого буде установка Hybrid Air. Ця система розроблена у співпраці з Bosch; суть її в тому, що енергія ДВС буде запасатися не в формі електроенергії (як в звичайних гібридах), а в балонах зі стисненим повітрям. Плани, правда, так і залишилися планами: на даний момент на серійні автомобілі установка не ставиться.
Peugeot 2008 Hybrid Air зможе рухатися, використовуючи енергію ДВС, повітряного силового агрегату або їх комбінації. Система буде сама розпізнавати, який з джерел енергоефективніше в тій чи іншій ситуації. У міському циклі, зокрема, 80% часу буде використовуватися енергія стисненого повітря - він надає руху гидронасос, який обертає вал при відключеному ДВС. Сумарна економія палива при такій схемі складе до 35%. При роботі на чистому повітрі максимальна швидкість автомобіля обмежується 70 км / год.
Концепт Peugeot виглядає абсолютно життєздатним. З урахуванням екологічних переваг подібні гібриди цілком зможуть потіснити електричні протягом найближчих п'яти-десяти років. І світ стане трішечки чистіше. Або не стане.
Стаття «Енергія повітря» опублікована в журналі «Популярна механіка» ( №12, Листопад 2014 ).
Чому ж пневмокари раптово увійшли в моду?Ще в 1879 році французький піонер авіації Віктор Татен спроектував літак A?
Відразу в серію?
Логічний висновок з цього твердження - чому б не зробити скутер або мотоцикл?