НАДУЛИ - И ПОЕХАЛИ!

Дмитрий Соколовский

Необозримые стада автомобилей заполонили теперь уже не только города, но и традиционно сельские области. Главный помощник человечества - двигатель внутреннего сгорания во всех своих ипостасях стал главным же его неприятелем: сжигая кислород, загазовывая атмосферу, во все больших объемах уничтожая невосполняемую нефть и нефтепроизводные - бензин, керосин, солярку. И специалистами уже достаточно неплохо подсчитано время, когда нефть перейдет в разряд редкостей: большая часть из ныне живущих это смогут лицезреть лично.

Последние десятилетия наиболее дальновидные ученые самым активным образом проектируют различного рода экологически чистые двигатели для транспорта и стационарных приводов. Наступление ведется по всем возможным направлениям. Так, несколько известнейших автомобильных гигантов проектируют автомобили на водородном топливе; инженеры ряда стран разрабатывают двигатели на других, "не нефтяных" топливах - метане, диметиловом эфире, спирте; не один десяток лет ведутся работы по электромобилям. В этой статье хотелось бы рассказать о еще одном виде двигателей без вредных выхлопов - пневматическом. "Топливом" и носителем энергии движения в них является сжатый воздух, запасенный в баллонах и подаваемый в цилиндры только во время движения.

Двигатели такого типа не являются новым словом в технике. Пневмостартеры судовых и авиационных двигателей, и даже моторов "Формулы-1" давно известны и широко освоены. Шахтные поезда на пневмоприводах - тоже не открытие. Однако в качестве обычного двигателя для обычного же автомобиля в силу различных причин пневмодвигатели пока не применяются. Основные причины - довольно низкая энергоемкость сжатого воздуха по сравнению с традиционными топливами и разного рода сложности с заправкой и применением.

Тем не менее, в последние годы в печатной и электронной прессе "отметились" несколько компаний, занимающихся пневмотранспортом. Результаты деятельности по крайней мере двух из них, расположенных на диаметрально противоположных сторонах Евразии, представляются наиболее интересными.

Фирма Energine из Южной Кореи разрабатывает автомобиль PHEV (Pneumatic hybrid electric vehicle) с гибридным электропневматическим приводом. В этой машине (внешне - типично "корейского" вида с традиционной эстетикой корпуса, сильно напоминающего Daewoo Matiss) два двигателя: пневматический поршневой и электрический. Строго говоря, эту машину, приводимую в движение как сжатым воздухом от бортовых баллонов, так и электрическим двигателем от аккумуляторов, можно было бы считать электромобилем, поскольку при движении с постоянной скоростью свыше 20…25 км/ч основным является электрический двигатель. Однако стартует, набирает скорость и преодолевает подъемы новая "лошадка" на пневматической тяге, поэтому фирма-разработчик считает, что основной двигатель в конструкции автомобиля все же пневматический. Столь оригинальный дорожный цикл, по словам представителя фирмы, позволяет использовать основные достоинства обоих типов моторов и сгладить их недостатки. Так, высокий стартовый момент и большая мощность на валу пневмодвигателя прекрасно дополняются относительно низким потреблением энергии (в данном случае - запасенной в аккумуляторах) электродвигателем.

Руководство компании утверждает, что Energine создала экологически чистый автомобиль для поездок в условиях городского цикла (частые остановки и разгоны). Эта разработка была запатентована в восьми странах, в том числе в пяти европейских, а также в США. Пневмодвигатель, разработанный специально для этого автомобиля, может быть использован в других транспортных и промышленных конструкциях.

Фирма Energine объявила, что доводочные работы практически завершены и автомобиль PHEV готов для коммерческого использования. По данным компании, с 2002 г. несколько экземпляров PHEV эксплуатируются на дорогах Южной Кореи. В ходе проведенных испытаний была достигнута и поддерживалась в течение часа максимальная скорость 120 км/ч. Масса автомобиля составляет 1260 кг, из которых на алюминиевый корпус приходятся 400 кг, оба мотора (и пневматический и электрический) весят по 30 кг каждый, а еще 40 кг весит 100-литровый воздушный баллон. В машине применены Ni-MH батареи, рабочее напряжение которых около 280 В.

Европейская фирма MDI (Moteur Development International) со штаб-квартирой в Люксембурге подошла к проблеме с несколько иной стороны. Ее автомобиль, ставший известным в мировой прессе под названием "e.volution" или, как назвала его сама фирма, "зеленое такси", приводится в действие только пневмодвигателем. Еще в 2000 г. о нем заговорили как о "двигателе с нулевым загрязнением" (Zero pollution). Правда, электродвигатель имеется и здесь, но ему отведена чисто вспомогательная роль: дозаправлять воздушные баллоны и упрощать парковку машины.

Судя по тому, насколько серьезные наскоки в прессе были совсем недавно на деятельность компании MDI (как считают представители фирмы - со стороны СМИ, ангажированных производителями автомашин и бензина), фирма реально добилась результатов, которые возможно применять на практике. В ответ на критику своего проекта фирма решила привести в печати и выложить в Интернете максимум информации по своему проекту.

Двигатель системы CAT's (название Compressed Air Technology systems - "Технологические системы на сжатом воздухе" - зарегистрировано фирмой MDI), примененный в машине, использует в качестве рабочего тела сжатый воздух. Двигатель явился результатом многолетних исследований, причем окончательный вариант даже идеологически отличался от прародителя.
В самом начале исследований разработчики ставили себе скромную цель: создать двигатель с низким потреблением топлива (традиционного - бензина, газа) и малым загрязнением. Поняв, что основная причина загрязнений - плохое сгорание в цилиндре ДВС, камеру сгорания в конструкции 1994 г. вынесли наружу. При этом цилиндропоршневую группу решили "располовинить" - один поршень (поршень сжатия) сжимает воздух и подает его в сферическую - для лучшего протекания процесса - камеру сгорания, а полученная газовая смесь приводит в движение второй поршень (расширения/выхлопа). Используя свой опыт работы над двигателями автомобилей "Формулы-1", конструктор и изобретатель MDI Гай Негрэ оснастил систему вращающимися цилиндрическими клапанами, а шатун второго поршня обрел очень интересную конструкцию, позволяющую изменять ход поршня во время работы.

В дальнейшем для уменьшения нагрузки на поршень сжатия и сокращения потерь энергии воздух начали брать не из атмосферы, а подавать из баллонов. Именно такой двигатель устанавливался в 1996 г. в обычный автомобиль "Ситроен АХ" и проходил испытания, о чем сообщалось в прессе. Несмотря на то, что возимый запас воздуха был невелик, испытания показали возможность использования сжатого воздуха на городских маршрутах.

Для детального исследования конструкции был построен специальный стендовый двигатель, в процессе работы над которым стало ясно, что лучших результатов можно добиться, если …вовсе отказаться от углеводородного топлива, а заодно - от камеры сгорания и всего, связанного со сжиганием топлива. Именно в этом направлении и пошли дальнейшие работы, позволившие создать двигатель с реально "Zero pollution" - нулевым загрязнением. В автомобиле City CAT's ("зеленом такси") в 1998 г. единственным источником энергии был уже сжатый воздух.

В дальнейших разработках фирмы совершенствовались уже в основном элементы конструкции, процесс оставался в принципе неизменным. Основное, с чем приходилось бороться создателям двигателя - проблема прямо обратная обычной: воздух высокого давления, расширяясь в цилиндрах мотора, сильно остывал. Если попытаться "сработать" требуемую мощность в одном цилиндре (или группе цилиндров), то на выходе вполне можно получить …струю сжиженного воздуха и сугроб снега из смешанных с воздухом паров воды. Поэтому изначальная идея с двухступенчатым расширением и промежуточным подогревом в радиаторах оказалась весьма прогрессивной. Конечно, такой мотор не заработает в зимнем Новосибирске. Ну, так не для него он и создается...

Если фронт пламени в цилиндре ДВС распространяется с околозвуковой скоростью (следовательно, быстро растет и давление в камере сгорания), то наполнение цилиндра пневмодвигателя сжатым воздухом происходит существенно медленнее. В результате сильно "провалился" крутящий момент. Чтобы избежать этого был применен поршневой механизм с уникальной особенностью, обеспечивающей задержку поршня в районе "верхней мертвой точки" на время, составляющее пятую часть продолжительности цикла. Благодаря этому удалось наладить подачу достаточного количества воздуха в цилиндр и, как следствие, сгладить характеристику крутящего момента.

Правда, такая конструкция создает повышенные вибрации вследствие динамической несбалансированности. Решение проблемы оказалось простым: в моторе MDI применили симметричную схему "боксер", когда две цилиндропоршневые группы разместили зеркально. Во всех элементах схемы применены шарикоподшипники, система смазки сведена к минимуму.

Вскоре фирма MDI построила экспериментальную машину специально для проверки идеи создания "зеленого такси" - экологически чистого городского автомобиля. В ней был осуществлен возврат к рамной конструкции, причем большая часть ее образована баллонами сжатого воздуха. Специально спроектированный легкий стеклопластиковый корпус не является несущим и имеет боковую дверь, распахивающуюся чуть ли не во всю ширину салона. Опытный образец "зеленого такси" испытывался в реальных условиях городского движения.

Фирмой был подготовлен целый спектр моделей. В него входит многоцелевой автомобиль Family ("Семья"), развозной мини-фургон, такси, пикап и городской мини-автомобиль будущего Mini Cat's. Все автомобили, кроме последнего из упомянутых, рассчитаны на 6 мест. Их длина составляет 3,84 м, высота 1,75 м, а ширина 1,72 м. Масса машины 750 кг. Максимальная расчетная скорость достигает 110 км/ч. Пробег без дозаправки 200…300 км. Максимальный перевозимый груз - 500 кг. Возможна заправка баллонов от бортового компрессора, для этого требуется 4 часа. Заправка же на станции высокого давления займет всего 3 минуты. Размеры перспективного трехместного Mini Cat's составляют примерно 60…75 % от указанных, остальные данные как у других моделей семейства.

Двигатель "зеленого такси" расположен вертикально в передней части автомобиля. В последних моделях MDI с задним приводом, в том числе и City Cat's, двигатель помещается сзади под полом автомобиля. Это позволило уменьшить потери в трансмиссии по сравнению с испытанным транспортным средством с передним расположением двигателя. Примененная на автомобиле рекуперативная система торможения (пневматическая система, которая позволяет возвращать приблизительно 13 % энергии торможения) также способствует повышению к.п.д. системы.

Резервуары, примененные в первых конструкциях, были стальными и очень тяжелыми. Они были способны выдерживать максимальное давление 200 бар. В окончательном виде машины снабжались баллонами из композиционных материалов (углеволокно в термопластике), выдерживающими давление до 300 бар. Эти резервуары массой всего 35 кг вмещают 100 л воздуха при указанном давлении и соответствуют всем требованиям безопасности.

Фирма объявила о готовности конструкции к широкому производству. Называются адреса и мощности предприятий, на которых в текущем году она собирается приступить к серийному производству своих "городских котов".

Новое поколение пневмоавтомобилей обладает множеством интересных особенностей, о которых фирмы-изготовители рассказывают на своих сайтах в Интернете рекламных материалах. Самое главное, что можно понять: у автомобиля, как вида транспорта, есть перспективы развития, причем перспективы эти могут лежать очень далеко от традиционных путей. И это касается не только автомобилей, но, наверное, любой техники. Главное - не зашоривать свое воображение и разумно применять знания и опыт, накопленный человечеством.