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.

  • Автомобили

    История колёс без центральной оси: хаблесс или осмос

  • Автомобили

    Производитель пылесосов запатентовал большой электромобиль

MDI airpod 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).

Tata minicat

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 м3, 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.

Шасси Peugeot 2008 Hybrid air 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.

O2 Pursuit 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 O2 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, O2 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.

Соревнование на скорость 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.

Статья «Энергия воздуха» опубликована в журнале «Популярная механика» (№12, Декабрь 2014).

Двигатель 21 века.

Пневматические двигатели — двигатели, работающие на сжатом воздухе.

Многие ученые и практики называют пневматические двигатели продуктом 21 века, и для этого утверждения имеются все основания.

Пневмомоторы обладают высокой надежностью, компактностью и экологичностью, а так же простотой и универсальностью применения. Они обладают самым эффективным соотношением между весом и мощностью. Регулировка двигателя очень проста — мощность, количество и направление оборотов регулируется простым увеличением или уменьшением давления воздуха. Пневмодвигатели могут работать на самых необычных режимах, от максимальных оборотов до внезапной остановки и наоборот. При этом нет необходимости в дополнительных механических устройствах — в коробке передач и в сцеплении. Пневмодвигатели обладают самыми высокими ресурсами работы, практически неограниченным количеством включений и выключений. Это связано с тем, что рабочее давление воздуха в двигателе всегда выше окружающего давления воздуха. Такая разность давления препятствует попаданию из окружающей среды в двигатель пыли, влаги и грязи. Именно благодаря этим качествам, пневмомоторы могут работать в самых сложных условиях эксплуатации: в агрессивных средах, при высокой влажности, при резких перепадах температуры, во взрывоопасных средах, при наличии электропомех и магнитных полей. Это удивительно, но пневмомоторы могут работать и под водой Они практически не требуют технического и сервисного обслуживания. Отдельными достоинствами пневмодвигателей являются бесшумность и экономичность. Стоимость поездки легкового автомобиля среднего класса с пневмомотором в Германии при максимальной скорости 130 км/час и на расстояние 250 км — составляет всего 2 — 3 евро. В настоящее время пневмодвигатели нашли самое широкое применение в индустрии (машино-приборостроение, авиационно-космическая промышленность, химическая промышленность), в пищевой промышленности (производство соков, мясных продуктов, молока), в фармацевтической промышленности, в военном деле и в быту. Представленные на нашем сайте образцы пневмооборудования — пневмомоторы, фильтры, пневмоклапана и редукторы, являются проверенной и надежной продукцией лучших европейских производителей.

Мембранные пневмоцилиндры

Пневматические двигатели, и в частности, пневмоцилиндры, по своему принципу действия идентичны соответствующим гидравлическим двигателям. Одна из разновидностей пневмоцилиндров — мембранные пневмоцилиндры. Мембранные пневмоцилиндры принадлежат к пневмодвигателям с линейным возвратно-поступательным движением выходного звена — штока.

Мембранный пневмоцилиндр: 1-Диск мембраны; 2-Рабочая камера; 3-Корпус; 4-Шток; 5-Пружина

В сравнении с поршневыми пневмоцилиндрами они проще в изготовлении из-за отсутствия точных посадок контактных поверхностей, имеют высокую герметичность рабочей камеры, не требуют смазки и качественной очистки сжатого воздуха. Недостатки этого вида пневмодвигателей: ограниченность длины хода, переменное выходное усилие, зависящее от прогиба мембраны.

Наиболее распространены мембранные пневмоцилиндры одностороннего действия с возвратной пружиной. Используются в оборудовании, где требуются значительные усилия при относительно малых перемещенниях (зажатие, фиксация, переключение, торможение и т. д.).

Диафрагменные пневматические двигатели

К диафрагменным пневматическим двигателям относятся мембранные и сильфонные пневмодвигатели. В диафрагменных пневматических двигателях используется потенциальная энергия потока газа, т.е. энергия статического давления. Разность статических давлений в приемниках двигателя преобразуется в усилие на выходном элементе привода — штоке. Пневматические двигатели могут быть выполнены как по односторонней (нереверсивной), так и по двухсторонней (реверсивной) схеме. В дальнейшем будем рассматривать реверсивный пневматический двигатель как наиболее сложный и общий тип’двигателя. Основой конструкции пневматического двустороннего двигателя являются две рабочие полости переменного объема, поэтому для анализа работы пневматического двигателя необходимо вывести зависимости изменения объемов рабочих полостей от перемещения штока. Очевидно, что эти зависимости будут различными для диафрагменных и поршневых двигателей.

Расчетная схема мембранного пневматического двигателя приведена на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Расчетная схема мембранного пневматического двигателя:

  • 1 — действительный прогиб: 2 — аппроксимированный прогиб;
  • 3 — крышка мембранной коробки радиуса R

Точная кривая прогиба мембраны под действием разности статических давлений может быть получена в результате решения краевой задачи для уравнения Пуассона:

где U (х, у) — прогиб мембраны в точке с координатами х, у.

Для упрощения решения кривую прогиба аппроксимируем дугой окружности, как это показано на рис. 4.2. Тогда объем полости при отклонении мембраны от среднего нейтрального положения может быть получен как объем шарового сегмента, опирающегося на окружность диаметром dM и высотой хшт. Объем такого шарового сегмента VUK выражается известной формулой:

где dM — диаметр мембраны, хшт — перемещение выходного штока, dum — диаметр штока. Максимальное изменение объема составит:

Для сохранения линейности характеристик мембранного двигателя отношение максимального перемещения к диаметру мембраны должно выбираться из условия

В результате выражения для изменения объема будут иметь вид:

г /г r>

где F = —— — площадь мембраны, Futm = —— — площадь поперечного се- 4 4

чения штока.

Увеличение объема сжимаемого газа ухудшает динамические качества пневматического двигателя, поэтому объем рабочих полостей мембранного двигателя в равновесном нейтральном положении ^должен быть по возможности ближе к максимальному изменению объема Л V^ Для этого крышки мембранного двигателя делают обычно сферической формы с минимальным зазором между крышкой и мембраной в крайнем положении. Однако как бы не был мал этот зазор, в результате учета объема, который создается присоединенным трубопроводом, связывающим пневмоусилитель с двигателем, объем каждой рабочей полости в нейтральном положении будет всегда больше максимального изменения объема, т.е.

где У0 — объем полости в равновесном положении, V, — дополнительный объем, обусловленный зазором и трубопроводами.

При смещении штока от нейтрального положения, например вправо, на величину хшт объемы первой и второй рабочих полостей перераспределяются:

где Vj и V2 — объемы первой и второй полостей. Эти уравнения полностью связывают изменение объемов рабочих полостей с перемещением штока.

Принципиальная схема мембранного пневматического двигателя приведена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Мембранный пневматический двигатель:

  • 1 — штуцер второй полости; 2 — штуцер первой полости;
  • 3 — мембрана; 4 — корпус; 5 — шток;

Gj — секундный расход газового потока в первую полость; G2- секундный расход газового потока во вторую полость; Pi — давление газа в первой полости; р2 — давление газа во второй полости;

Хит — перемещение штока

Работа пневматического двигателя состоит в перемещении штока под действием разности давления (р, — рг) в полостях, которая образуется за счет разности расходов газа (Gi-Gj).

По такому же принципу функционирует сильфонный пневматический двигатель, схема которого приведена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Сильфонный пневматический двигатель:

I — штуцер второй полости; 2 — штуцер первой полости;

  • 3 — корпус; 4 — шток с поршнем первой полости;
  • 5 — сильфон первой полости; 6 — заделка сильфона первой полости

Пренебрегая перекашиванием сильфонов во время работы, можно заключить, что изменение объема рабочих полостей пропорционально перемещению штока, т.е.

где Fc = 7Г^~ — эффективная площадь сильфона.

Ввиду зазора между неподвижными стенками и подвижной гофрированной частью сильфона в двигателе при максимальном перемещении штока имеется некоторый объем в одной из рабочих полостей, т.е.

где V0 — объем полости в равновесном положении, V, — объем, обусловленный зазором и трубопроводами.

При смещении штока объемы первой V, и второй V2 рабочих полостей перераспределяются, и можно получить зависимости, связывающие их с перемещением штока:

Рубрики: Мотоспорт

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *