Автомобілі на стисненому повітрі: плюси і мінуси

Кілька років тому світ облетіла новина про те, що індійська компанія Tata збирається запустити в серію автомобіль, що працює на стислому повітрі. Плани так і залишилися планами, але пневматичні автомобілі явно стали трендом: щороку з'являється кілька цілком життєздатних проектів, а компанія Peugeot у 2016 році планувала поставити на конвеєр повітряний гібрид. Чому ж пневмокари раптово увійшли в моду?

Все нове - це добре забуте старе. Так, електромобілі наприкінці XIX століття були популярнішими за бензинові побратими, потім вони пережили столітнє забуття, а потім знову «повстали з попелу». Те ж стосується і пневмотехніки. Ще 1879 року французький піонер авіації Віктор Татен спроектував літак A? roplane, який повинен був підніматися в повітря завдяки двигуну на стисненому повітрі. Модель цієї машини успішно літала, хоча в повному розмірі літак побудований не був.

Родоначальником пневмодвигунів на наземному транспорті став інший француз, Луї Мекарський, який розробив подібний силовий агрегат для паризьких і нантських трамваїв. У Нанті машини випробували наприкінці 1870-х, а до 1900 року Мекарські володів парком з 96 трамваїв, що доводило ефективність системи. Згодом пневматичний «флот» був замінений електричним, але початок було покладено. Пізніше пневмолокомотиви знайшли собі вузьку сферу повсюдного застосування - шахтну справу. Водночас почалися і спроби поставити повітряний двигун на автомобіль. Але до початку XXI століття ці спроби залишалися поодинокими і не варті уваги.

Плюси: відсутність шкідливих викидів, можливість заправки автомобіля в домашніх умовах, невисока вартість через 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 у зовнішньому теплообміннику, оскільки при зменшенні тиску повітря двигун сильно переохолоджується; низькі експлуатаційні показники пневмоавтомобілів.

Переваги повітря

Пневматичний двигун (або, як кажуть, пневмоциліндр) перетворює енергію розширюється повітря на механічну роботу. За принципом дії він аналогічний гідравлічному. «Серце» пневмодвигуна - поршень, до якого прикріплений шток; навколо штока навиту пружина. Повітря, що надходить у 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. Пневмоциліндр цілком можна назвати «двигуном внутрішнього незгорання».

Більш поширена мембранна схема, де роль циліндра виконує гнучка мембрана, до якої точно так само 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) пневмодвигуни - аналоги ДВЗ Ванкеля.

MDI airpod

Крихітний тримісний пневмоавтомобіль французької MDI був представлений широкій публіці на Женевському автосалоні 2009 року. Він має право пересуватися виділеними велодоріжками і не вимагає наявності водійських прав. Мабуть, найперспективніший пневмокар.

Основні плюси пневмодвигуна - це його екологічність і низька вартість «палива». Власне, через безвідходність пневмолокомотиви і набули поширення в шахтній справі - при використанні ДВЗ в замкнутому просторі повітря швидко забруднюється, різко покращуючи умови роботи. Відпрацьовані ж гази пневмодвигуна - це звичайне повітря.

Один з недоліків пневмоциліндра - відносно низька щільність енергії, тобто кількість вироблюваної енергії на одиницю обсягу робочого тіла. Порівняйте: повітря (при тиску 30 МПа) має щільність енергії близько 50 кВт • год на літр, а звичайний бензин - 9411 кВт • год на літр! Тобто бензин як паливо ефективніший 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 пневмоциліндра. Це обмежує всі експлуатаційні показники пневмодвигунів і рухомих ними машин (запас ходу, швидкість, потужність тощо). д.). Крім того, пневмодвигун має відносно невеликий ККД - близько 5 − 7% (проти 18 − 20% у ДВЗ).

Tata minicat

Пневматика XXI століття

Актуальність екологічних проблем XXI століття змусила інженерів повернутися до давно забутої ідеї використання пневмоциліндра як двигуна для дорожнього транспортного засобу. По суті, пневмоавтомобіль екологічніше навіть електромобіля, елементи конструкції якого містять шкідливі для навколишнього середовища речовини. У пневмоциліндрі ж - повітря і нічого крім повітря.

Тому основним інженерним завданням було приведення пневмокара до виду, в якому він міг би конкурувати з електромобілями за експлуатаційними характеристиками і вартістю. Підводних каменів у цій справі безліч. Наприклад, проблема дегідратації повітря. Якщо в стислому повітрі буде хоча б крапля рідини, то через сильне охолодження при розширенні робочого тіла вона перетвориться на лід, і двигун просто заглухне (або навіть потребує ремонту). Звичайне літнє повітря містить приблизно 10 г рідини на 1 м³, і при наповненні одного балона потрібно витратити 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 "