Без электричества: пневматические автомобили

Из-за распространённости бензино-электрического гибридного привода его часто считают и единственно возможным. Однако хранить запасенную энергию можно и в другой форме.

Темы гибридных автомобилей "Компьютерра-онлайн" касалась уже не раз. Подобные машины прочно закрепились на рынке (пока, в основном, в США и Японии) и наверняка будут распространяться все шире.

Из-за распространенности бензино-электрического гибридного привода его часто считают и единственно возможным. Все производимые ныне серийно гибридные автомобили используют силовые установки, состоящие из двигателя внутреннего сгорания, системы рекуперации энергии торможения, аккумулятора и электродвигателя. Энергия торможения в этом случае не рассеивается полностью в виде тепла, а частично превращается в электричество, которое запасается в аккумуляторе и приводит в действие электромотор. В результате удается сократить расход топлива, особенно в городском цикле с частыми торможениями.

Однако хранить запасенную энергию можно и в другой форме - в виде энергии сжатого воздуха, в гидроаккумуляторе или с помощью маховика. Разработкой гибридных автомобилей с такими нетрадиционными системами хранения энергии весьма интенсивно разрабатывают как небольшие фирмы, так и крупные компании. О нескольких подобных разработках и пойдет речь дальше.

Воздух

Воздушные или пневматические гибриды обещают стать перспективной заменой малым и средним легковым электрическим гибридам. Разработкой двигателей на сжатом воздухе и машин на их основе занимаются по всему миру как исследовательские организации, так и инженерные фирмы, причем пока наиболее заметны разработки небольших компаний.

Преимущество пневматических гибридов заключается в том, что они, в отличие от электрогибридов, не требуют установки вспомогательного двигателя. Вместо этого пневматические автомобили используют модифицированный вариант обычного четырехтактного мотора. Но если в стандартном бензиновом двигателе все четыре такта: впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск осуществляются в каждом из цилиндров, то в "воздушных" моторах такты распределяются между парой цилиндров. В одном из них - компрессионном - происходит впуск и сжатие воздуха, в во втором - главном - рабочий ход и выхлоп. Сжатый воздух поступает из компрессионного цилиндра в главный через перепускной канал и систему клапанов.

В работе такого двигателя есть два интересных момента. Во-первых, рабочий ход может осуществляться как за счет расширения предварительно сжатого воздуха, так и за счет сгорания топлива, как в обычном двигателе внутреннего сгорания. Во-вторых, разделение тактов между парой цилиндров не приводит к удвоению их числа в двигателе, как можно было бы предположить. Дело в том, что в таком двигателе рабочий ход главного цилиндра происходит каждый оборот вала (также как в двухтактном моторе), а не через оборот, как в обычном четырехтактном двигателе.

Достаточно подробное описание одного из таких двигателей можно найти на сайте американской фирмы Scuderi. Мотор Scuderi предусматривает использование сжатого воздуха в сочетании с обычным топливом и пока находится на стадии разработки. На прошедшей в начале мая в Штудгарте выставке Engine Expo была показана его модель (участие в выставке компании подробно осветила в своем блоге). Основываясь на результатах компьютерного моделирования, в Scuderi утверждают, что реальный двигатель обеспечит прирост топливной экономичности в 15-30% по сравнению с обычными бензиновыми моторами, а кроме того за счет снижения пиковых температур удастся на 50-80% сократить выбросы оксидов азота.

Важной чертой гибридных автомобилей является не просто использование "двойного" силового агрегата, а наличие средств рекуперации и сохранения энергии, чаще всего системы рекуперативного торможения. В электрических гибридах при торможении электродвигатель работает в режиме генератора, заряжая аккумулятор. В случае пневматических гибридов рекуперация кинетической энергии также возможна за счет использования двигателя в качестве воздушного компрессора.

Например, еще в 2003 году такую систему предложили в Калифонийском университете в Лос-Анджелесе при участии специалистов Ford. Силовая установка помимо шестицилиндрового "воздушного" двигателя включает резервуар для сжатого воздуха и модифицированную тормозную систему. Работает такой привод в четырех режимах. Во время торможения мотор работает в режиме компрессора, сжимая воздух и заправляя им резервуар. При полной остановке машины двигатель отключается, а пуск затем осуществляется на сжатом воздухе. После первоначального разгона двигатель переключается в режим со сжиганием топлива. Важным преимуществом такой схемы перед электрической авторы считают минимальную прибавку в массе автомобиля. Гибридный двигатель-компрессор по массе не отличается от стандартного мотора, а резервуар для воздуха весит не более 30 кг, тогда как аккумулятор и вспомогательный электромотор весят существенно больше.

Но дальше всех в создании пневмомобиля продвинулась французская фирма MDI, разработавшая целую серию пневматических двигателей и автомобилей на их основе. Первый двигатель, работающий на сжатом воздухе, в MDI создали еще в 1996 году, а двумя годами позже были проведены испытания такси с пневмоприводом. С тех пор двигатели MDI подверглись ряду усовершенствований. В 2004 году появилось семейство моторов "Тип 41", в которые 2005 году была внедрена технология "активной камеры" (подробности компания не раскрывает), позволившая дополнительно повысить КПД мотора.

Нынешнее поколение двигателей MDI использует "активную камеру" в сочетании с одним или несколькими модулями из двух оппозитных цилиндров. Модули объединяются в блоки по четыре или шесть цилиндров и могут использовать как чисто воздушный привод, так и сжигать топливо, что позволяет получать моторы мощностью от 4 до 75 л.с.

Предполагается, что чисто пневматический режим должен использоваться в городах, так как обеспечивает нулевые выбросы вредных веществ в атмосферу. В загородных поездках использование горючего позволяет увеличить запас хода, при этом расход топлива и количество выбросов остаются минимальными.

Из-за небольшой мощности двигатели MDI пока подходят только для легких автомобилей. В компании уже разработали несколько серий таких машин. Часть из них в начале 2008 года демонстрировалась на автосалоне в Нью-Йорке. Самые компактные автомобильчики OneCAT должны найти применение в развивающихся странах, а также использоваться для перевозки людей и небольших грузов в парках, на стадионах и т.п. В зависимости от модификации OneCAT будет стоить 3500-5300 евро.

Городской трехместный автомобильчик MiniCAT стоит заметно дороже - 9200 евро, а по классу ближе всего, пожалуй, к "Смарту". Самый большой из пневмомобилей MDI - CityCAT 2 рассчитан на шестерых пассажиров в вариантах кузова седан, универсал и минивэн или трех пассажиров и груз объемом 3 м? (масса груза не уточняется) в кузове пикап. В варианте с самым мощным 75-сильным пневмобензиновым мотором CityCAT 2 сможет разгоняться до 155 км/ч, а запас хода по шоссе будет достигать 1350 км в режиме сжигания топлива и 60 км в городе в чисто пневматическом режиме. Кроме того, MDI предлагает использовать свои пневмомоторы в городских автобусах-поездах (из-за небольшой мощности мотор ставится в каждый вагончик), промышленных генераторах и спецтехнике вроде компактных погрузчиков.

Для заправки машин воздухом MDI предлагает два метода: использование встроенного электрического компрессора, а затем и создание сети специальных воздушных заправок, на которых сжатый воздух может храниться, например, выдаваться компрессорами по мере необходимости или храниться в подземных резервуарах.

В настоящее время MDI готовится к началу серийного производства своих пневмомобилей. Лицензию на их производство уже приобрела индийская компания Tata Motors, которая, по данным журнала Popular Mechanics, будет выпускать первую версию машины CityCAT. В 2010 году MDI планирует начать продажи своих машин и в США. Для этого была создана компания Zero Pollution Motors. Кроме того, MDI участвует в конкурсе Automotive X-prize.

В дальнейших планах MDI разработка более мощных двигателей (до 200 л.с.) для использования в грузовиках и автобусах.

Читайте также: Без электричества: маховики и гидравлика - вторая часть статьи.

- Фотография двигателя Scuderi из блога компании Scuderi. Фотографии автомобилей MDI с сайта MDI.