Двигатель на сжатом воздухе для автомобиля

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.

В традиционном понимании пневмодвигатель – это машина, с помощью
которой энергия сжатого воздуха превращается в механическую работу.
Прежде всего, это основа для некоторых строительных инструментов, но
пневматический привод широко применяется и в автомобилестроении. В
основном в качестве привода тормозной системы грузовых машин. Но идея о
том, что двигатель на сжатом воздухе способен в одиночку передвигать
автомобиль, волнует умы конструкторов уже давно.

Пневмодвигатель Анджело Ди Пьетро

Впервые в роли двигателя пневматический привод выступил еще в конце
19-го века. Тогда во французском городе Нант на линию общественного
транспорта был выпущен трамвай, который приводился в движение энергией
сжатого под высоким давлением воздуха. Первый экспериментальный
легковой «воздушный» автомобиль был представлен в Лос-Анджелесе в 1932
году. К этой разработке быстро охладели, поскольку об экологии тогда
мало кто задумывался, тем более что пневмодвигатели с бензиновыми
моторами тогда конкурировать не могли. Прямо скажем, не могут и сейчас…

В конце семидесятых годов двадцатого столетия австралийский
изобретатель Анджело Ди Пьетро создал принципиальной новый
пневматический двигатель для автомобиля. Здесь нет цилиндров и поршней.
Вместо этого в корпусе вращается кольцо, которое внутри опирается на
специальные ролики, закрепленные на валу. За распределение воздуха по
камерам, образованным лепестками, отвечает специальная система. Таким
образом, изменяя свой объем, камеры вращают ротор, который в свою
очередь предает усиление на колеса.

$DCODE_1$

Двигатель Анджело Ди Пьетро имеет ряд преимуществ. Он легок и прост в
конструкции: компактные пневмомоторы можно установить непосредственно
на колеса. Кроме того, благодаря его способности выдавать свой
максимальный крутящий момент на самых низких оборотах, отпадает
необходимость в коробке передач.

Пневматический двигатель Николая Пустынского

В конце восьмидесятых главный конструктор Заволжского моторного
завода Н. Пустынский разработал свой пневматический двигатель для
автомобиля. Главное отличие этого мотора от похожих разработок
заключалось в том, что Пустынский создал пневмодвигатель из обычного ДВС
с сохранением 95% его деталей.

Общий принцип был сохранен. Сжатый под давлением 300 бар воздух
подается в рабочую камеру, где расширяясь, толкает поршень и выходит
наружу. Однако у автомобилестроителей двигатель на сжатом топливе по
ряду причин большого интереса не вызвал, и сенсации не случилось. Но
пневматическая установка применение все же нашла. На некоторых
промышленных предприятиях электрокары были заменены дешевыми и
практичными пневмокарами, оснащенные двигателями Пустынского.

Пневмодвигатель Гая Негре

До 1991 года инженер-испытатель Гай Негре был одним из ведущих
конструкторов двигателей в Формуле-1. Каким образом идея о двигателе на
сжатом воздухе заинтересовала этого человека? Возможно пригодился опыт в
авиации, где большинство механизмов работают по принципу «обратный
компрессор», а может будучи конструктором «Королевской гонки» и наблюдая
за работой воздушной турбины, раскручивающей двигатель болида, он
понял, какая большая энергия может храниться в баллонах со сжатым
воздухом.

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.

Перспективы автомобилей с двигателями на сжатом воздухе

Скептики считают пневмомашины неэффективным транспортным средством. В
сравнение с традиционными автомобилями, это действительно так. Но
перспектива у двигателей на сжатом воздухе все-таки есть. Во-первых, они
могут успешно применяться в качестве движущей силы для муниципального и
промышленного транспорта. Кроме того, пневмодвигатели могут выступать в
роли помощника в гибридных системах. Так вышеописанные разработки дали
толчок появлению нового типа транспортного средства – PHEV (pneumatic-hybrid electric vehicle), в котором пневматический привод сочетается с современным электродвигателем.

Сегодня MDI возвращается к началу своих разработок, когда
использовался универсальный двигатель, способный работать не только на
воздухе, но также на жидком и газообразном топливе. Французы оснастили
похожей установкой рабочий прототип CityCat – автомобиль на сжатом
воздухе, который стал ближе всех к массовому производству.

Что такое турбодвигатели, и надежны ли они [Пост для новичков]

Простыми словами: почему турбомоторы все чаще встречаются на автомобилях?

По мере того, как правительства самых автомобилизированных стран мира продолжают бороться за экономию топлива и регулирование выбросов, двигатели с турбонаддувом среднего и малого объема становятся все более распространенными.

Считается, что компактные двигатели с турбонаддувом могут сочетать в себе превосходную топливную экономичность при аккуратном использовании в городском потоке (по крайней мере, на бумаге) и при этом иметь высокую пиковую мощность (как минимум на бумаге) на максимальных оборотах. По этой причине автопроизводители повсеместно начали использовать этот тип моторов для того, чтобы их продукция могла соответствовать все более строгим стандартам по экологичности выбросов и, как прежде, давать клиентам тот же уровень мощности, каким он был раньше, а иногда предлагать даже более высокий.

В этой статье мы кратко опишем, как работает двигатель с турбонаддувом (иногда их также называют «двигатели с принудительной индукцией»), и ответим на распространенные вопросы потребителей, которые рассматривают как вариант покупку турбированных среднеобъемников, но ни разу с ними не сталкивались.

Но прежде сделаем небольшое отступление: в наши дни турбированные двигатели можно обнаружить на всех типах транспортных средств, включая спорткары, кроссоверы, внедорожники и даже пикапы, поэтому мы надеемся, что этот пост вооружит вас полезными базовыми знаниями, которые вам понадобятся при выборе нового или подержанного современного автомобиля.

Что такое турбодвигатель, и как работает турбированный мотор?

Если говорить простыми словами, работа турбины заключается в следующем: турбокомпрессор втягивает воздух, сжимает его, а затем подает сжатый воздух во впускной коллектор вашего двигателя. Этот плотный, насыщенный кислородом воздух под давлением затем резко поступает в камеру сгорания в тот момент, когда поршень совершает движение вниз. С большим количеством кислорода, поступающего в двигатель на более высокой скорости, можно сжечь больше топлива за один и тот же временной промежуток. А сжигая больше топлива, вы получаете больше энергии. Мощность растет, автомобиль становится более восприимчивым к нажатию на педаль газа.

Однако это только одна часть процесса наддува. Второй, не менее важный этап инициируется после завершения цикла сгорания. Раскаленные отработавшие газы на большой скорости устремляются по выпускному коллектору, выходят из камеры сгорания через выпускное отверстие. По мере продвижения на определенном отрезке выпускного канала (у разных автомобилей это расстояние разное, но по общему правилу чем оно меньше, тем больше мощности отдается турбине) газы встречаются с лопастями турбонагнетателя и начинают вращать колесо турбины за счет очень большого давления и, конечно же, скорости потока.

Вращающееся колесо компрессора втягивает новую прохладную часть атмосферного воздуха с противоположной стороны турбины при помощи аналогичных лопастей, начиная процесс сначала.

Это не сложный процесс, но новичку его, может быть, будет трудно представить, поэтому взгляните на эту диаграмму:

Все работает на первый взгляд, как часы, но с процессом доставки есть одна небольшая проблема: прохладный атмосферный воздух во время сжатия нагревается, тепло отнимает мощность вашего двигателя.

Инженеры давно решили и эту нестыковку. Сжатый воздух перед подачей во впускной коллектор должен быть охлажден. Для того чтобы сделать это, воздух под давлением на своем пути к впускному коллектору пройдет через теплообменный аппарат, иногда вызываемый «intercooler».

Принцип работы аппарата идентичен тому, что происходит в жидкостном радиаторе, с тем лишь отличием, что воздух охлаждает воздух (самая распространенная схема «воздухо-воздушная»), поскольку, чтобы охладить разогретый сжатый воздух, используется внешний воздушный поток, набегающий на автомобиль по мере того, как вы движетесь вниз по дороге. Также существуют промежуточные охладители наддувочного воздуха, работающие на воде, в таком радиаторе используется холодная вода для охлаждения воздушной массы до нужной температуры.

Плюсы и минусы турбированного двигателя

Теперь, когда новички познакомились с основами работы турбины (ее также называют «улиткой» за визуальное сходство входной части турбины с панцирем моллюска), можно приступать к рассмотрению двух основных преимуществ турбированного двигателя – большая выходная мощность и повышенная топливная эффективность.

Поскольку турбонагнетатель позволяет небольшому двигателю производить больше мощности, разработчики могут использовать силовые агрегаты меньшего объема.

Меньший по объему двигатель, как правило, потребляет меньше топлива, чем более объемный мотор (данный постулат сейчас активно подвергается сомнениям, особенно ввиду множественных скандалов, связанных с занижением экономичности и экологичности), что способствует некоторой экономии топлива на определенных режимах работы агрегата (обычно это неспешная работа мотора на низких оборотах в городских условиях).

Двигатели с турбинами, нагнетая больше обогащенного кислородом воздуха внутрь цилиндров, улучшают сгораемость горючей смеси, уменьшая объем количества выбрасываемых вредных отходов. По этим причинам двигатель с турбонаддувом может быть более эффективным, чем атмосферный двигатель (без установленной турбины) при аккуратном движении.

Однако эффективность и экологичность турбированного двигателя может быстро упасть, если вы начнете агрессивно ездить. Почему это неминуемо произойдет? И здесь все достаточно банально. Для того чтобы двигатель работал правильно и не выходил из строя, он должен достичь надлежащего соотношения топливовоздушной смеси, миксующейся в камере сгорания (как правило, это происходит в камере сгорания). Турбина же будет доставлять больше кислорода в двигатель, особенно при условии полного нажатия на педаль газа: «тапок в пол», поэтому, во-первых, двигатель начнет сжигать больше топлива при таком сценарии.

Работа турбонагнетателей также увеличивает давление в двигателе вашего автомобиля. При работе мотора с высоким давлением вы рискуете столкнуться с «предварительным зажиганием» – так называется несанкционированное воспламенение топлива до того момента, как свечи зажигания должны дать искру и воспламенить его. Для проявления этого явления достаточно мощно ускориться на турбированном автомобиле. Давление внутри цилиндров подскочит, что увеличит шансы на преждевременное зажигание топливовоздушной смеси.

Современные двигатели оснащены датчиком детонации и программным обеспечением, которые помогают предотвратить предварительное воспламенение, обнаруживая его и распыляя дополнительное топливо в камеру, способствуя дальнейшему увеличению расхода топлива.

По этой причине многие современные турбированные двигатели также будут рассчитаны на работу на премиальном бензине. Топливо с более высоким октановым числом имеет меньше шансов к детонации, что делает его идеальным для небольших турбомоторов с высокой степенью сжатия.

Вы можете выяснить, какой бензин подходит для вашего автомобиля, в руководстве пользователя. Но если это современный турбированный двигатель, есть хороший шанс, что он использует 95 или 98 бензины.

В то время как многие современные двигатели довольно надежны, турбированные двигатели поставляются с рядом дополнительных компонентов на пути к самому турбокомпрессору: интеркулера и всех трубопроводов, необходимых для доставки сжатого охлажденного воздуха в двигатель. Это может сделать ремонт двигателя или его обслуживание дороже по сравнению с традиционным атмосферным мотором.

В плане надежности все зависит от транспортного средства. Надежнее всего изучить рейтинги надежности и затраты на ремонт приглянувшегося турбированного автомобиля, поскольку эти цифры варьируются от модели к модели. В целом вам больше не нужно беспокоиться о том, что автомобиль с турбонаддувом ненадежен – технология прошла долгий путь с 1980-х годов.

Напомним плюсы и минусы турбированного двигателя:

За:

Больше мощности и крутящего момента от двигателя меньшего объема;

Больше крутящего момента на низких оборотах;

Может обеспечить лучшую топливную экономичность при движении в спокойном режиме

Против:

Экономия топлива «испарится», если ездить агрессивно;

Может потребоваться дорогое топливо премиум-класса (скорее всего, так и будет);

Увеличится стоимость ремонта и обслуживания

Надежны ли турбированные двигатели?

Как мы кратко коснулись выше, двигатели с турбонаддувом сложнее и имеют больше деталей, чем моторы без турбонаддува. В то время как большинство современных двигателей с турбонаддувом довольно надежны, более сложная конструкция может повысить затраты на ремонт, если у вас возникнут проблемы или произойдет столкновение на дороге. Турбина может также увеличить износ некоторых компонентов из-за повышенной нагрузки, что может сократить жизнь двигателя с течением времени. Плюс не стоит забывать, под какими нагрузками трудится сама турбина. Скорости вращения лопаток гигантские, нагрев большой – выйти из строя на 100-150 тыс. км может легко! Плюс многое зависит от смазочных материалов, качества самой турбины, качества топлива и т. д. А стоимость турбокомпрессоров может «кусаться».

По общепринятому правилу чем проще мотор, тем он надежнее. Атмосферный двигатель без турбины проще, значит, и надежнее.

Как я могу определить отказ турбины?

Ниже приведем подробную табличку наиболее распространенных отказов турбин. Чтобы узнать больше, переходите по ссылке выше.

При увеличении скорости слышен свист турбины. Возможно, поврежден вал турбины. Свист вызван из-за металлического трения.

Утечка масла в турбокомпрессоре. Возможно на валу есть сколы (износ). Масло попадает в выхлопную систему.

Возможно, турбине не хватает воздуха для подачи в двигатель. В результате в камере сгорания неправильная смесь топлива и кислорода. В итоге в процессе сгорания топлива образовывается черный дым. Скорее всего, в автомобиле есть утечка, поступаемого в двигатель, воздуха.

Что такое наддув?

Турбонагнетатель и нагнетатель предназначены для достижения одной и той же цели: увеличить мощность двигателя, нагнетая воздух в двигатель вашего автомобиля.

Турбокомпрессор использует отработанные выхлопные газы для вращения колеса компрессора и подачи сжатого воздуха в двигатель. Нагнетатель, однако, прикреплен к коленчатому валу вашего двигателя ремнем. Ремень вращает два «винтовых ротора» внутри нагнетателя, которые сжимают воздух и подают его в двигатель. Воздух подается в цилиндры через отверстие внизу короба нагнетателя. Вы можете увидеть, как это работает, в gif ниже:

Мы надеемся, что эта статья ответила вам на все основные вопросы, которые у вас могли возникнуть относительно двигателей с турбонаддувом. Приятной езды на хороших автомобилях!

Источник https://masternew.my1.ru/publ/novye_tekhnologii/dvigatel_na_szhatom_vozdukhe_dlja_avtomobilja/4-1-0-12

Источник https://1gai.ru/baza-znaniy/521409-chto-takoe-turbodvigateli-i-nadezhny-li-oni-post-dlya-novichkov.html

Источник

Источник