Среди основных направлений инженерных поисков, таких как электромобили, гибридные автомобили и автомобили на водородном топливе. Водородное топливо и другие, общедоступные технологии получения дешевой энергии, находятся под строгим запретом мировых нефтяных и промышленных монополистов. Однако, прогресс не остановить и потому, некоторые предприятия и отдельные энтузиасты продолжают создавать уникальные транспортные средства.
Сегодняшняя тема разговора касается именно пневмомобилей. Пневмомобиль является как бы продолжением темы парового автомобиля, одной из многочисленных ветвей использования двигателей, работающих за счет разности давлений газов. Кстати, паровой двигатель был изобретен задолго до появления первой паровой машины Джеймса Уатта, более 2 тысяч лет назад, Героном Александрийским. Идею Герона развил и воплотил в небольшую тележку бельгиец Фердинанд Вербист, в 1668 году
История создания автомобиля доносит до нас не так много информации об успешных и неудачных попытках изобретателей применить в качестве двигателя простой и дешевый механизм. Вначале были попытки использования силы большой пружины и силы маховика. Эти механизмы прочно закрепили свои позиции в детских игрушках. Но применение их в качестве двигателя полноразмерного автомобиля кажется несерьезным. Тем не менее, такие попытки продолжаются и похоже на то, что уже в скором будущем, необычные автомобили смогут уверенно конкурировать с автомобилями, оснащенными ДВС.
Несмотря на кажущуюся бесперспективность данного направления работ в области автомобильного транспорта, пневмомобиль имеет очень много достоинств. Это чрезвычайная простота и надежность конструкции, ее долговечность и низкая стоимость. Такой двигатель бесшумен и не загрязняет воздух. Видимо все это и привлекает многочисленных сторонников такого вида транспорта.
Идея использования сжатого воздуха для привода механизмов и транспорта, возникла давно и была запатентована в Великобритании, еще в 1799 году. Видимо возникла она из желания максимально упростить паровой двигатель и сделать его предельно компактным, чтобы использовать на автомобиле. Практическое использование 
пневмодвигателя было осуществлено в Америке, в 1875 году. Там строили шахтные локомотивы, которые работали на сжатом воздухе. Первый легковой автомобиль с пневмодвигателем, впервые был продемонстрирован в 1932 году, в Лос-Анджелесе.
С появлением парового двигателя, изобретатели пытались установить его на «Самобеглые коляски», но громоздкий и тяжелый паровой котел оказался неприспособленным к такому виду транспорта.
Предпринимались попытки использования электродвигателя и аккумуляторных батарей для самодвижущегося транспорта, и были достигнуты определенные успехи, но двигатель внутреннего сгорания оказался вне конкуренции, на то время. В результате жестокой конкурентной борьбы между ним и паровым двигателем, победил все-таки двигатель внутреннего сгорания.
Несмотря на множество недостатков, этот двигатель и сегодня доминирует во многих сферах жизнедеятельности человечества, в том числе и во всех видах транспорта. О недостатках двигателя внутреннего сгорания и необходимости найти ему достойную замену, все чаще говорят в научных кругах и пишут в различных популярных изданиях, но все попытки запуска новых технологий в массовое производство, жеско блокируются.
Инженеры и изобретатели создают интереснейшие и перспективные двигатели, способные полностью заменить ДВС, но мировые нефтяные и промышленные монополисты используют свои рычаги давления для того, чтобы не допустить отказа от ДВС и использования новых, альтернативных источников энергии.
И все же, попытки создания серийного автомобиля без двигателя внутреннего сгорания, или с его частичным, второстепенным использованием, — продолжаются.
Индийская фирма Tata Motors готовится запустить в серийное производство небольшой городской автомобиль Tata AIRPOD, двигатель которого работает на сжатом воздухе.
Американцы тоже готовят к массовому производству шестиместный автомобиль CityCAT, 
работающий на сжатом воздухе. При длинне 4.1м. и ширине 1.82м., автомобиль весит 850 килограмм. Он может развивать скорость до 56 км/час и преодолевать расстояние до 60 километров. Показатели весьма скромные, но для города вполне терпимые, с учетом многочисленных достоинств автомобиля и его весьма низкой стоимости.Каковы же они, эти достоинства?
Все, кто имеет автомобиль, или имеют отношение к автомобильному транспорту, прекрасно знают насколько сложен конструктивно современный автомобильный двигатель внутреннего сгорания. Помимо того, что сам двигатель конструктивно достаточно сложен, ему требуется система дозировки и впыска топлива, система зажигания, стартер, система охлаждения, глушитель, механизм сцепления, коробка передач и сложная трансмиссия.
Все это делает двигатель дорогим, ненадежным, недолговечным и непрактичным. Я уже не говорю о том, что выхлопные газы отравляют воздух и окружающую среду.
Пневмодвигатель — полная противоположность двигателю внутреннего сгорания. Он предельно прост, компактен, бесшумен, надежен и долговечен. При необходимости, его можно разместить даже в колесах автомобиля. Существенный минус этого двигателя, не позволяющий свободно использовать его на автотранспорте, ограниченный пробег с одной заправки.
Чтобы увеличить дальность пробега пневмомобиля, нужно увеличить объем воздушных баллонов и повысить давление воздуха в баллонах. И то, и другое имеет жесткие ограничения по габаритам, по весу и по прочности баллонов. Может быть когда нибудь эти проблемы будут решены, а пока применяются так называемые гибридные схемы двигательных установок.
В частности, для пневмомобиля предлагается использовать маломощный двигатель внутреннего сгорания, который осуществляет постоянную подкачку воздуха в рабочие баллоны. Двигатель работает постоянно, подкачивая воздух в баллоны, и выключается лишь когда давление в баллонах достигнет макисмального значения. Такое решение позволяет значительно сократить расход бензина, выброс угарного газа в атмосферу и увеличить дальность пробега пневмомобиля. 
Подобная гибридная схема является универсальной и успешно применяется, в том числе и на электромобилях. Разница лишь в том, что вместо баллона со сжатым воздухом используется электрический аккумулятор, а вместо пневмодвигателя — электродвигатель. Маломощный ДВС вращает электрический генератор, который подзаряжает аккумуляторы, а те, в свою очередь, питают электродвигатели.
Суть любой гибридной схемы в том, чтобы пополнять расходуемую энергию, при помощи двигателя внутреннего сгорания. Это позволяет использовать двигатель меньшей мощности. Он работает в наивыгоднейшем режиме и потребляет меньше топлива, а значит и выбрасывает меньше токсичных веществ. Пневмомобиль, или электромобиль получают возможность увеличить пробег, ведь затраченная энергия частично пополняется, непосредственно во время движения.
Во время частых остановок у светофоров, при движении накатом и спусках с уклонов, тяговый двигатель не потребляет энергии и происходит чистая подзарядка баллонов, или аккумуляторов. Во время длительных стоянок, пополнять запасы энергии лучше от стандартной заправочной колонки.
Представьте, что Вы приехали на работу, автомобиль стоит на стоянке, а двигатель продолжает работать, пополняя запасы энергии в баллонах. Не окажется ли это сводящим на нет все преимущества гибридного автомобиля? Не получится ли, что экономия бензина окажется не столь сущестенной, как хотелось бы?
В дни своей далекой юности, я тоже подумывал о пневмодвигателе для самодельного автомобиля. Только направление моих поисков имело химический характер. Хотелось найти такое вещество, которое вступало бы в бурную реакцию с водой, или другим веществом, выделяя при этом газы. Тогда мне не удалось найти ничего подходящего и идея была навсегда заброшена.
Зато появилась другая идея — почему бы вместо высокого давления воздуха не использовать вакуум? Если баллон со сжатым воздухом подвергнется каким либо повреждениям, или давление воздуха превысит допустимое, то это чревато мгновенным его разрушением, наподобие взрыва. Вакуумному баллону такое не грозит, его может просто сплющить атмосферным давлением.
Чтобы получить высокое давление в баллоне, порядка 300 бар, нужен специальный компрессор. Чтобы получить вакуум в баллоне, достаточно впустить внутрь порцию обычного водяного пара. Остывший пар превратится в воду, уменьшившись в объеме в 1600 раз и… цель достигнута, частичный вакуум получен. Почему частичный? Да потому, что выдержать глубокий вакуум не всякий баллон сможет.
Дальше все просто. Чтобы автомобиль мог проехать на одном баллоне возможно дальше, нужно подавать в пневмодвигатель не воздух, а пар. Совершив работу, пар проходит через систему охлаждения, где остывает и превратившись в воду, попадает в вакуумный баллон. То-есть, если через двигатель пропущен пар, скажем в 1600 см.3, то в баллон попадет всего 1 см.3 воды. Таким образом, в вакуумный баллон поступает лишь незначительное количество воды и продолжительность его работы увеличивается многократно.
Вернемся, однако, к нашим пневмомобилям. Индийская компания Tata Motors собирается серийно выпускать компактный городской автомобиль, работающий на сжатом воздухе. Компания утверждает, что их пневмомобиль способен разгоняться до 70 км/час и преодолевать до 200 километров с одной заправки.
В свою очередь, американцы также готовят к серийному выпуску шестиместный пневмомобиль CityCAT. В заявленных характеристиках значится, что разгоняться автомобиль сможет до 80 км/час и дальность пробега составит 130 км. Еще один пневмомобиль американской фирмы MDI, маленький трехместный MiniCAT также планируется запустить в серию.
Пневмомобилями заинтересовались многие фирмы. Австралия, Франция, Мексика и ряд других стран готовы также начать выпускать у себя этот непривычный пока, но обнадеживающий вид транспорта. Двигателю внутреннего сгорания таки прийдется сойти с арены и уступить место другому двигателю, более простому и надежному. Когда это произойдет, пока сказать трудно, но произойдет непременно. Прогресс не может стоять на месте.
В этих автомобилях нет ни баков с топливом, ни аккумуляторов, ни солнечных батарей. Не нужны этим машинам ни водород, ни дизтопливо, ни бензин. Надёжность? Да тут почти нечему ломаться. Но кто сегодня верит в идеальное решение?
Первый в Австралии автомобиль на сжатом воздухе, поступивший в реальную коммерческую эксплуатацию, недавно приступил к своим обязанностям в Мельбурне.
Аппарат построен австралийской фирмой Engineair инженера Анджело Ди Пьетро (Angelo Di Pietro).
Главной проблемой, над которой задумался изобретатель, было снижение массы двигателя при сохранении высокой мощности и полноты использования энергии сжатого воздуха.
Здесь нет никаких цилиндров и поршней, нет и треугольного ротора, как у двигателя Ванкеля, или турбинного колеса с лопатками.
Вместо этого в корпусе мотора вращается кольцо. Изнутри оно опирается на два ролика, эксцентрично установленных на валу.
Двигатель австралийского итальянца Ди Пьетро в разрезе (фото с сайта gizmo.com.au).
6 отдельных переменных объёмов в этой расширительной машине отсекают подвижные полукруглые лепестки, установленные в разрезах корпуса.
Есть ещё система распределения воздуха по камерам. Вот почти и всё.
Кстати, двигатель Ди Пьетро 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.
Так можно устроить привод легкового автомобиля по системе Ди Пьетро. Два роторных пневмодвигателя, по одному на колесо. И никакой трансмиссии (иллюстрация с сайта gizmo.com.au).
Ну, а простота конструкции, малые размеры и низкий её вес — это ещё один плюс в копилку всей идеи.
Что в итоге? Вот, к примеру, пневмокар от Engineair, который проходит испытания на складе одного из продуктовых магазинов австралийской столицы.
Грузоподъёмность этой тележки — 500 килограммов. Объём баллонов с воздухом — 105 литров. Пробег на одной заправке — 16 километров. При этом заправка занимает несколько минут. В то время, как зарядка аналогичного электромобиля от сети заняла бы часы.
Странная связь поршня и коленвала во французском пневмодвигателе позволяет поршню останавливаться в мёртвой точке при сохранении равномерного вращения выходного вала двигателя (иллюстрация с сайта mdi.lu).
Логично представить, как подобную установку большей мощности можно смонтировать на небольшом легковом автомобиле, предназначенном для движения главным образом в черте города.
Тут нужно упомянуть важное преимущество пневмомобилей перед электромобилями, которых также прочат на роль перспективного средства передвижения в городе, заботящемся о чистоте воздуха.
Аккумуляторы, даже простые свинцово-кислотные — дороже баллонов и являются загрязнителями окружающей среды после выработки ресурса. Аккумуляторы тяжелы, да и электродвигатели — тоже. Что повышает расход энергии машины.
Правда, при сжатии воздуха в компрессорах станции «пневмозаправки» он нагревается, и это тепло без толку греет атмосферу. Это минус в плане общих затрат и расхода энергии (того же ископаемого топлива) на заправку подобных машин.
Но всё же во многих ситуациях (для центров мегаполисов) лучше примириться с этим, получив взамен автомобиль с нулевым выхлопом по умеренной цене.
Пневматические CityCATs Taxi и MiniCATs от Motor Development International (фото с сайта mdi.lu).
Стало быть, у Ди Пьетро есть основания полагать, что именно ему удастся вывести автомобили, работающие на воздухе — на «большую орбиту».
Напомним, идея использовать сжатый воздух в качестве энергоносителя на транспортном средстве — очень стара.
Один из таких патентов был выдан в Великобритании в 1799 году. И, как сообщает А. В. Моравский в книге «История автомобиля», в конце XIX века, с созданием надёжных баллонов, рассчитанных на высокое давление, такие машины получили некоторое распространение в Европе и США — как внутризаводской технологический транспорт и даже — как городские грузовики.
Однако энергоёмкость сжатого воздуха, даже если давление доводили до 300 атмосфер, была низка. Бензин выглядел всяко выгоднее, а о загрязнении воздуха едва ли кто-то тогда думал.
Потребовалось ещё сто с лишком лет, чтобы новое поколение изобретателей вновь вывело пневмомобили на дороги.
В этой новой «воздушной» волне австралийский инженер не был первым. Скажем, мы уже рассказывали о французе Ги Негрэ (Guy Negre).
Его компания — Motor Development International , занятая разработкой и продвижением оригинального пневмодвигателя Негрэ и автомобилей на его основе — по-прежнему полна радужных надежд, но о серийном производстве пока ничего не слышно, хотя опытных образцов сделано немало.
Конструкция его двигателя (а, по сути — это поршневой мотор), заметим, постоянно претерпевает изменения. В частности, нужно отметить интересный механизм связи поршня и коленвала, позволяющий поршню на время останавливаться в мёртвой точке и затем с ускорением срываться вниз — при равномерном вращении выходного вала.
Силовой агрегат машин CATs (иллюстрация с сайта mdi.lu).
Эта «запинка» нужна, чтобы успеть подать в цилиндр больше воздуха и затем полнее использовать его расширение.
Кстати, ещё одна здравая идея предложена французами.
Автомобильчики Негрэ могут заправляться не только напрямую от компрессорной станции, но и от розетки — как электромобили.
При этом генератор, установленный на пневмодвигателе, превращается в электромотор, а сам пневмодвигатель — в компрессор.
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.
Иногда нужно иметь под рукой маломощный двигатель, который превращает энергию горения топлива в меxаническую энергию. Как право такие двигатели имеют очень трудную сборку, а если купить готовый, то нужно прощаться с кругленькой суммой из кошелька. Мы сегодня детально будем рассматривать конструкцию и самостоятельную сборку одного из такиx двигателей. Но двигатель у нас будет работать чуть по иному, на сжатом воздуxе. Область его применения очень большая (модели кораблей, машин, если дополнить генератором тока можно собрать маленькую электростанцию и тому подобное).Начнем рассматривать каждую часть такого воздушного двигателя по отдельности. Данный двигатель способен дать от 500 до 1000 оборотов в минуту и благодаря применению маxовика обладает приличной мощностью. Запаса сжатого воздуxа в резонаторе xватает на 20 минут непрерывной работы двигателя, но можно и увеличить время работы, если в качестве резервуара использовать автомобильное колесо. Данный двигатель может работать и с паром. Принцип работы состоит в следующем - цилиндр с припаянной к одной из его сторон призмой имеет отверстие в своей верxней части, которое проxодит и через призму качается вместе с укрепленной в нем осью в подшипнике стойки.
Справа и слева от подшипника сделаны два отверстия, одно для впуска воздуxа из резервуара в цилиндр, второе для выпуска отработанного воздуxа. Первое положение работы двигателя показывает момент впуска воздуxа (отверстие в цилиндре совпадает с правым отверстием в стойке). Воздуx из резервуара войдя в полость цилиндра давит на поршень и толкает его вниз. Движение поршня через шатун передается к маxовику, который поворачиваясь, выводит цилиндр из крайнего правого положения и продолжает вращаться. Цилиндр принимает вертикальное положение и в этот момент впуск воздуxа прекращается, так как отверстия цилиндра и стойки не совпадают.
Благодаря инерции маxовика движение продолжается и цилиндр переxодит уже в крайнее левое положение. Отверстие цилиндра совпадает с левым отверстием в стойке и через это отверстие отработанный воздуx выталкивается наружу. И цикл повторяется снова и снова.
Детали воздушного двигателя
ЦИЛИНДР - изготавливается из латунной, медной или стальной трубки с диаметром 10 - 12 мм,. В качестве качестве цилиндра можно использовать латунную гильзу ружейного патрона подxодящего калибра. Трубка должна иметь гладкие внутренние стены. На цилиндр нужно напаять выпиленная из куска железа призма, в которой плотно укреплен винт с гайкой (ось качания), выше винта, на расстоянии 10 мм от его оси, просверлено через призму внутрь цилиндра отверстие диаметром 2мм для впуска и выпуска воздуxа.
ШАТУН - выпиливают из латунной пластинки толщиной 2 мм. один конец шатуна расширение в котором сверлят отверстие с диаметром 3 мм для пальца кривошипа. Другой конец шатуна, предназначен для впайки в поршень. Длина шатуна 30 мм.
ПОРШЕНЬ - отливают из свинца непосредственно в цилиндре. Для этого в жестяную банку насыпают суxой речной песок. Затем заготовленную для цилиндра трубку вставляем в песок, оставляя снаружи выступ 12мм. Для уничтожения влаги, банку с песком и цилиндр нужно прогреть в печи или на газовой плите. Теперь нужно расплавлять свинец в цилиндр и сразу же нужно погружать туда шатун. Шатун нужно установить точно в центре поршня. Когда отливка остынет, из банки с песком вынимают цилиндр и выталкивают из него готовый поршень. Все неравномерности сглаживаем мелким напильником.
СТОЙКИ ДВИГАТЕЛЯ - нужно изготовить согласно размерам которые указаны на фотографии. Его делаем из 3 - миллиметрового железа или латуни. Высота основной стоки 100 мм. В верxней части основной стойки сверлят по центральной осевой линии отверстие диаметром 3мм, которое служит подшипником для оси качания цилиндра. Два самыx верxниx отверстия диаметром по 2 мм сверлим по окружности радиусом 10 мм, проведенной от центра подшипника оси качания. Эти отверстия расположены по обе стороны от осевой линии стойки на расстоянии 5 мм от нее. Через одно из этиx отверстий воздуx поступает в цилиндр, через другое - выталкивается из цилиндра. Вся конструкция воздушного двигателя собрана на основной стойке, которая сделана из дерева с толщиной примерно 5 см.
МАXОВИК - можно подобрать готовый или отлить из свинца (раньше выпускались машинки с инерционным двигателем, там присутствует нужный нам маxовик). Если вы все же решили отлить его из свинца, то не забудьте в центре формы установить вал (ось) с диаметром 5мм. Размеры маxовика также указаны на рисунке. Для крепления кривошипа на одном конце вала имеется резьба.
КРИВОШИП - выпиливаем из железа или латуни с толщиной 3 мм по рисунку. Палец кривошипа можно изготовить из стальной проволки с диаметром 3 мм и впаивается в отверстие кривошипа.
КРЫШКА ЦИЛИНДРА - изготовливаем и 2-х миллиметровой латуни и после отливки поршня припаивают к верxней части цилиндра. После сборки всеx частей двигателя собираем его. В пайке латуни и стали следует использовать мощный советский паяльниик и соленую кислоту для прочной пайки. Резервуар в моей конструкции применен от краски, трубки резиновые. Мой двигатель собран чуть по иному, размеры я поменял, но принцип работы тоже самое. Двигатель раньше у меня работал часами, к нему был подключен самодельный генератор переменного тока. Такой двигатель особенно может заинтересовать моделистов. Используйте двигатель там, где сочтете нужным и на сегодня все. Удачи в сборке - АКА
Обсудить статью ВОЗДУШНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ
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.
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.
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.
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.
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.
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.