В начале века многочисленные СМИ пророчили, что вот-вот начнется массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива.

Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием e.Volution на выставке Auto Africa Expo-2000, которая состоялась в Йоханнесбурге. Изумленной общественности сообщили, что e.Volution может без дозаправки проехать около 200 километров, развивая скорость до 130 км/ч. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/ч. Было заявлено, что стоимость такой поезд­ки обойдется владельцу в 30 центов. При этом весит машина всего 700 кг, а двигатель - 35 кг.
Революционную новинку представила французская фирма MDI, которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Изобретателем двигателя является французский инженер-моторостроитель Гай Негр, известный как разработчик пусковых устройств для болидов “Формулы-1” и авиационных двигателей.
Изобретатель заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких бы то ни было примесей традиционного топлива. Свое детище француз назвал Zero Pollution, что означает нулевой выброс вредных веществ в атмосферу.
Девизом Zero Pollution стало “Простой, экономичный и чистый”, то есть упор был сделан на его без­опасность и безвредность для экологии. Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: “Воздух засасывается в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 бар. При этом он разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру. В “камеру сгорания” под давлением подается и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передает рабочее усилие на коленчатый вал. Можно даже сказать, что “воздушный” двигатель работает так же, как и обычный двигатель внутреннего сгорания, но только никакого сгорания тут нет”.
Было заявлено, что выбросы автомобиля не опаснее углекислого газа, выделяемого при дыхании человека, двигатель можно смазывать растительным маслом, а электрическая система состоит всего лишь из двух проводов. Планировалось построить “воздухозаправочные” станции, способные наполнить 300-литровые баллоны всего за три минуты. Предполагалось, что продажи “воздухомобилей” начнутся в Южной Африке по цене около 10 тысяч долларов.
Но после громких заявлений и всеобщего ликования что-то произошло. Внезапно все стихло, и о “воздухомобиле” почти забыли. Причина нелепая: страница в Интернете якобы не справляется с огромным потоком запросов.
Есть мнение, что экологичную разработку саботировали автомобильные гиганты: предвидев приближающийся крах, когда выпускаемые ими бензиновые двигатели никому не будут нужны, они якобы решили выскочку задушить на корню.
Однако и многие независимые эксперты настроены скорее скептически, тем более что ряд крупных автомобилестроительных концернов, например, “Фольксваген”, уже в 70-80-х годах вели исследования в этом направлении, но затем свернули их ввиду полной бесперспективности. Автомобильные компании уже потратили огромные деньги на эксперименты с электрическими автомобилями, которые оказались неудобными и дорогими.
Однако ждать осталось недолго. Вероятно, уже в наступающем году мы точно узнаем, что же такое этот разработанный фирмой MDI двигатель на сжатом воздухе - революция в автомобилестроении или во всех смыслах слова дутая сенсация.
В Интернете имеется коммерческое предложение, адресованное, по всей видимости, правительству Москвы. В этом документе одна столичная компания предлагает чиновникам “ознакомиться с предложением автомобильной фирмы MDI о производстве в Москве абсолютно экологически чистых и экономичных автомобилей”.
Интерес представляет и изобретение Раиса Шаймухаметова - “садоход”, который “приводится в движение от сжатого воздуха: под капотом небольшой двигатель и серийный компрессор. Воздух вращает автономно друг от друга два блока (слева и справа) эксцентрических роторов (поршней). Роторы в блоке через ходовые колеса соединены гусеничной цепью”.
В итоге сложилось двоякое впечатление: с одной стороны, не до конца понятная история с французским “воздухомобилем”, а с другой - куда более четкое ощущение, что “воздушный” транспорт давно используется, и в особенности почему-то в России. И притом с поза­прошлого века.

Из всех современных альтернатив автомобилям с двигателем внутреннего сгорания наиболее необычно и интересно выглядят транспортные средства , работающие на сжатом воздухе . Парадоксально, но в мире уже существует немало подобных средств передвижения. Про них мы и расскажем в сегодняшнем обзоре.

Yamaha WR250R – первый мотоцикл на сжатом воздухе

Правда, в поездах Aeromovel нет собственного двигателя. Мощные струи воздуха исходят от рельсовой системы, по которой он передвигается. При этом отсутствие силовой установки внутри самого состава делает его очень легким.

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.

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:

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!

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.