Автомобиль заправят воздухомВ поисках новых энергоносителей автомобильные инженеры разрабатывают двигатели, работающие на электричестве, водороде, растительном масле, спирте и других возобновляемых носителях. Дошел черед и до сжатого воздуха – пожалуй, самого экологически чистого топлива.
Крупнейший индийский автопроизводитель Tata объявил о предстоящем выходе на рынок автомобиля, работающего на сжатом воздухе. Сжатый до давления 300 атмосфер воздух поступает из специального бака в силовой агрегат, напоминающий обычный двигатель внутреннего сгорания.
Пневматический автомобиль комплектуется 4-цилиндровым двигателем объемом в 700 «кубиков». Этот двигатель смешивает сжатый воздух из бака с атмосферным (наружным) воздухом, что дает дополнительную экономию. Мотор обладает вполне достаточной для городского движения динамикой, а максимальная скорость превышает 100 км/ч.
Разработчики добились увеличения дистанции, которую может проехать автомобиль без заправки – более 300 км. В городском режиме запаса может хватить на 200–250 км. Бак для сжатого воздуха объемом 340 литров вмещает 90 кубометров воздуха. Он изготавливается из стекловолокна, поэтому легок и безопасен.Есть два способа заправляться: на сервисной станции или около любой электрической розетки. На сервисной станции полная заправка бака займет всего три минуты. В любом удобном водителю месте можно заправиться с помощью встроенного компрессора, но на это придется потратить несколько часов. По данным разработчиков, полная заправка бака обойдется примерно в 2–3 доллара (по ценам на электричество в США и странах ЕС). Расходы на топливо составят около 1 доллара за 100 км пути. А масло придется менять лишь раз в 50 тыс. километров – это, как минимум, втрое реже, чем в двигателе внутреннего сгорания.
Производство пневмомобилей на Tata Motors начнется уже в текущем году, Tata планирует производить 6000 «воздушных» автомобилей в год. Основными рынками сбыта должны стать Соединенные Штаты, страны ЕС, Израиль и Южная Африка.
Предполагаемая цена Tata Air Car в Индии составит около 11 тыс. долларов. При массовом выпуске воздушный двигатель может быть существенно дешевле двигателя для электромобиля.Разработчиком этой модели стала компания MDI, которая уже заключила контракты на выпуск пневматических автомобилей с производителями из 12 стран. Возможность массово выпускать воздушные автомобили в настоящее время рассматривается производителями США, Англии, Франции, Испании, Бразилии и других стран.
Уже разработаны четыре варианта кузова воздушного автомобиля: пятиместное купе, фургон, такси и пикап.Сама идея транспортного средства, приводимого в движение сжатым воздухом, не столь нова. Еще в XIX веке этот принцип применялся для вагонеток на шахтах. Аналогичный принцип используется для запуска двигателя БТР-50ПК, состоящего на вооружении российской армии: если отказал стартер, двигатель заведет сжатый воздух.
Изобретатель Гай Негре из компании MDI, работавший прежде для команд «Формулы-1», в 1991 году сконструировал гибридный двигатель, работающий на бензине либо сжатом воздухе. Разработки по созданию и усовершенствованию воздушного двигателя ведутся им и учеными в других странах уже более 15 лет.
/ 11
ХудшийЛучший
То, что пневмомобили смогут стать полноценной заменой бензиновому и дизельному транспорту, пока вызывает сомнения. Однако у двигателей, работающих на сжатом воздухе есть свой безусловный потенциал.Автомобили на сжатом воздухе используют электрический насос – компрессор для сжатия воздуха до высокого давления (300 – 350 Атм.) и аккумулируют его в резервуаре. Используя его для движения поршней, на подобии двигателя внутреннего сгорания, выполняется работа и автомобиль движется на экологически чистой энергии.
1. Новизна технологии
Несмотря на то, что автомобиль с воздушным двигателем кажется инновационной и даже футуристической разработкой, сила воздуха использовалась в управлении автомобилями еще в конце девятнадцатого – начале двадцатого века. Однако точкой отсчета в истории развития воздушных двигателей нужно считать семнадцатый век и разработки Дэни Папина для Академии наук Великобритании. Таким образом, принцип работы воздушного двигателя открыт более трехсот лет назад, и тем более странным кажется тот факт, что эта технология так долго не находила применения в автомобильной промышленности.
2. Эволюция автомобилей с воздушным двигателем
Первоначально двигатели, работающие на сжатом воздухе, использовались в общественном транспорте. В 1872 году Луи Мекарски создал первый пневматический трамвай. Затем, в 1898 году Хоудли и Найт усовершенствовали конструкцию, продлив цикл работы двигателя. В числе отцов-основателей двигателя на сжатом воздухе также нередко упоминают имя Чарльза Портера.
3. Годы забвения
Принимая во внимание долгую историю воздушного двигателя, может показаться странным, что эта технология не получила должного развития в двадцатом веке. В тридцатых годах был спроектирован локомотив с гибридным двигателем, работавшим на сжатом воздухе, однако доминирующей тенденцией в автомобилестроении стала установка двигателей внутреннего сгорания. Некоторые историки прозрачно намекают на существование «нефтяного лобби»: по их мнению, могущественные компании, заинтересованные в росте рынка сбыта продуктов нефтепереработки приложили все возможные усилия, чтобы исследования и разработки в сфере создания и усовершенствования воздушных двигателей никогда не были опубликованы.
4. Преимущества двигателей, работающих на сжатом воздухе
В характеристиках воздушных двигателей легко заметить множество преимуществ в сравнении с двигателями внутреннего сгорания. В первую очередь, это дешевизна и очевидная безопасность воздуха, как источника энергии. Далее, упрощается конструкция двигателя и автомобиля в целом: в нем отсутствуют свечи зажигания, бензобак и система охлаждения двигателя; исключается риск протечки зарядных батарей, а также загрязнения природы автомобильными выхлопами. В конечном счете, при условии массового производства, стоимость двигателей на сжатом воздухе, скорее всего, окажется ниже, чем стоимость бензиновых двигателей.
Однако не обойдется и без ложки дегтя: согласно проведенным экспериментам, двигатели на сжатом воздухе в работе оказались более шумными, чем бензиновые двигатели. Но это не главный их недостаток: к сожалению, по своей производительности они также отстают от двигателей внутреннего сгорания.
5. Будущее автомобилей с воздушным двигателем
Новая эра для автомобилей, работающих на сжатом воздухе, началась в 2008-м году, когда бывший инженер Формулы 1 Гай Негре представил свое детище под названием CityCat – автомобиль с воздушным двигателем, который может развивать скорость до 110 км/ч и преодолевать без подзарядки расстояние в 200 километров Чтобы превратить пусковой режим пневматического привода в рабочий, было потрачено более 10 лет. Основанная с группой единомышленников компания стала называться Motor Development Internation. Ее первоначальный проект не был пневмомобилем в полном смысле этого слова. Первый двигатель Гая Негре мог работать не только на сжатом воздухе, но также на природном газе, бензине и дизеле. В моторе MDI процессы сжатия, воспламенения горючей смеси, а также сам рабочий ход проходят в двух цилиндрах разного объема, соединяющихся меж собой сферической камерой.
Испытывали силовую установку на хетчбэке Citroen AX. На низких скоростях (до 60 км/ч), когда потребляемая мощность не превышала 7 кВт, автомобиль мог передвигаться только на энергии сжатого воздуха, но при скорости выше указанной отметки силовая установка автоматически переходила на бензин. В этом случае мощность двигателя вырастала до 70 лошадиных сил. Расход жидкого топлива в шоссейных условиях составил всего 3 литра на 100 км - результат, которому позавидует любой гибридный автомобиль.
Однако команда MDI не стала останавливаться на достигнутом результате, продолжив работу над усовершенствованием двигателя на сжатом воздухе, а именно над созданием полноценного пневмомобиля, без подпитки газового или жидкого топлива. Первым стал прототип Taxi Zero Pollution. Этот автомобиль «почему-то» не вызвал интерес у развитых стран, в то время сильно зависящих от нефтяной промышленности. Зато Мексика заинтересовалась этой разработкой, и в 1997 году заключила договор о постепенной замене таксопарка Мехико (одного из самых загрязненных мегаполисов мира) на «воздушный» транспорт.
Следующим проектом стал тот самый Airpod с полукруглым стеклопластиковым кузовом и 80-килограммовыми баллонами со сжатым воздухом, полный запас которых хватал на 150-200 километров пути. Однако полноценным серийным пневмомобилем стал проект OneCat - более современная интерпретация мексиканского такси Zero Pollution. В легких и безопасных карбоновых баллонах под давлением в 300 бар может храниться до 300 литров сжатого воздуха.
Принцип работы двигателя MDI следующий: в малый цилиндр засасывается воздух, где он сжимается поршнем под давлением 18-20 бар и разогревается; подогретый воздух идет в сферическую камеру, где смешивается с холодным воздухом из баллонов, который мгновенно расширяясь и нагреваясь, увеличивает давление на поршень большого цилиндра, передающего усилие на коленвал.
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:
|
Регулирование расхода Основным методом регулирования работы пневмодвигателей является установка на входе одноходового двигателя регулятора расхода сжатого воздуха (ограничителя потока). В тех случаях, когда предполагается реверс двигателя, и нужно ограничить его скорость в обоих направлениях, регуляторы с байпасными линиями следует установить на обеих сторонах пневмодвигателя.
При регулировании (ограничении) подачи в пневмодвигатель сжатого воздуха, при сохранении его давления, свободная скорость вращения ротора пневматического двигателя падает - при сохранении, однако, полного давления сжатого воздуха на поверхность лопастей. Кривая изменения крутящего момента становится более крутой:
Это значит, что на низких скоростях вращения от пневмодвигателя возможно получить полный крутящий момент. Однако, это также означает, что при равной скорости вращения, мотор развивает меньший крутящий момент, чем он развил бы при подаче полного объема сжатого воздуха. |
Регулирование давления Скорость и вращающий момент пневмомотора можно также регулировать путем изменения давления поступающего на него сжатого воздуха. Для этого, на входном трубопроводе устанавливают редуктор-регулятор давления. В результате, мотор постоянно получает неограниченный объем сжатого воздуха, но при меньшим давлении. При этом, при появлении нагрузки, он развивает на выходном валу меньший крутящий момент.
Уменьшение входного давления сжатого воздуха снижает крутящий момент, создаваемый мотором при торможении (появлении нагрузки), но также и снижает скорость. |
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!
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.
Разработанная французской компанией Motor Development International (MDI) машинка под названием AIRPod приводится в движение сжатым воздухом. Хотя выпускается она с 2009 года, долгое время она вызывала у всех (за исключением разве что фанатов-экологов) лишь снисходительную улыбку. Действительно, первоначально она могла эксплуатироваться лишь в теплом климате: разработанный в начале 1990-х годов пневматически-пропеллерный двигатель не запускался при низких температурах. И хотя сегодня уже разработана система подогрева сжатого воздуха, расширяющая географию применения AIRPod, приобрести его можно только на Гавайях (штат США).
Дорожное шоу
Весной 2015 года независимая компания ZPM (Zero Pollution Motor – «Двигатели с нулевым загрязнением») провела в прайм-тайм американского телеканала ABC публичное road-show – презентацию с целью привлечения инвесторов (дословно переводится на русский как «дорожное шоу»). ZPM выкупила у французов право на производство и продажу новой модели AIRPod – пока лишь на Гавайях, выбранных в качестве «стартового рынка».
Презентовали проект завода по производству экологически чистых автомобилей два акционера ZPM – известный американский певец Пэт Бун (пик его карьеры пришелся на 1950-е годы) и кинопродюсер Эйтан Такер («Шрек», «Семь лет в Тибете» и др.). Они предлагали потенциальным инвесторам (т. н. «бизнес-ангелам») 50% акций ZPM за 5 млн долларов.
Инвесторы раскошеливаться не спешили. При этом считавшийся наиболее перспективным из них Роберт Херьявец, владелец и основатель канадской IT-компании Herjavec Group, заявил, что ему интересны продажи AIRPod не в одном отдельно взятом штате, а на территории всех США. Так что в настоящее время руководство ZPM ведет переговоры с французами о расширении территории продаж.
