В настоящее время во всем мире эксплуатируется 600 миллионов легковых автомобилей. Даже экономия горючего всего на один процент позволит 6 миллионам автомобилей работать на бесплатном топливе. А это гораздо больше автомобилей, чем их эксплуатируется в республике Беларусь. Наибольшее количество автомобилей на душу населения приходится в Германии и других развитых странах. Если по этому показателю все остальные страны приблизятся к развитым странам, то количество легковых автомобилей в мире увеличится до четырех миллиардов. А ведь каждый легковой автомобиль потребляет в среднем десять литров очень дорогого органического топлива всего на сто километров пути. Это на один час работы автомобиля. Сюда еще необходимо добавить грузовые автомобили, автобусы, тракторы и различный спецтранспорт, расход топлива у которых значительно выше, чем у легковых автомобилей.  К примеру, шины в Минске  для грузовых машин поставляют не так много кампаний, но для легковых машин можно найти самый широчайший ассортимент.

В свое время еще Ломоносов говорил, что топить каменным углем все равно, что топить ассигнациями. Сжигая органическое топливо, мы не только нарушаем экологию нашей планеты, мы еще уничтожаем ценнейшее химическое сырье. Современная промышленность изготавливает из каменного угля и нефти необходимые материалы для производства товаров различного назначения, и даже комбикорма для сельского хозяйства. Есть ли альтернатива органическому топливу? В настоящее время это самый лучший энергоноситель из всех применяемых на транспорте источников энергии. С органическим топливом может сравниться только водород.
 
Получение водорода связано с огромными затратами энергии, в том числе и электрической энергии. Если использовать для получения водорода альтернативные источники энергии, например, солнечная или энергия ветра, то водород может конкурировать с органическим топливом, но возникают большие проблемы с его хранением. Конкуренцию органическому топливу могут составить еще автомобили с электроприводом, но и они имеют огромные недостатки. Аккумуляторы значительно увеличивают массу автомобиля, что приводит к повышенному расходу энергии на его перемещение. Электрические накопители энергии требуют для своего производства очень дорогих материалов.
 
В новом тысячелетии усиленно ведутся работы по созданию автомобиля с воздушным приводом. В 2000 году многочисленные СМИ в том числе ВВС, пророчили, что в начале 2002 года начнется массовое производство автомобилей, использующих воздух вместо топлива. Поводом для такого смелого заявления послужила презентация автомобиля под названием Volution на выставке Auto Africa Expo 2000, которая состоялась в Йоханнесбурге. Изумленной общественности сообщили, что Volution может без дозаправки проехать около 200 км, развивая при этом скорость в 200 км/час. Или же в течение 10 часов со средней скоростью 80 км/час, было заявлено, что стоимость такой поездки обойдется владельцу в 30 центов. При этом весит машина всего 700кг, а двигатель – 35кг.
Революционную новинку представила французская фирма MDI (Motor Pevelepment international), которая тут же объявила о намерении начать серийный выпуск автомобилей, оборудованных двигателем на сжатом воздухе. Изобретателем двигателя является французский инженер – моторостроитель Гай Негр, известный как разработчик пусковых устройств для болидов “Формулы 1” и авиационных двигателей.  Негр заявил, что ему удалось создать двигатель, работающий исключительно на сжатом воздухе без каких либо примесей традиционного топлива. Свое детище француз назвал “Zero Pollution”, что означает нулевой выброс вредных веществ в атмосферу.
 
Принцип работы двигателя, по словам изобретателя, таков: “Воздух засасывается из атмосферы в малый цилиндр и сжимается поршнем до уровня давления в 20 бар. При этом воздух разогревается до 400 градусов. Затем горячий воздух выталкивается в сферическую камеру”. В “камеру сгорания”, хотя в ней уже ничего не сгорает, под давлением подается и холодный сжатый воздух из баллонов, он сразу же нагревается, расширяется, давление резко возрастает, поршень большого цилиндра возвращается и передает рабочее усилие на коленчатый вал.
Представители “Zero Pollution” заявили, что для заправки “воздухомобиля” достаточно наполнить воздушные резервуары, расположенные под днищем автомобиля, что занимает около четырех часов. Впрочем, в будущем планировалось построить “воздухозаправочные” станции, способные наполнить 300 – литровые баллоны всего за 3 минуты. Испытания прототипа машины Ситикэт с воздушным двигателем проходят на полигоне компании в городке неподалеку от Ниццы.
 
В воздушных автомобилях применены новые пластические материалы, которые позволили создать сравнительно компактные резервуары для сжатого воздуха, способные вместить до 500 литров под давлением до 450 атмосфер. Индийская автомобильная компания “Tata” является на данный момент единственной, крупной компанией, которая приобрела лицензию на производство этого автомобиля. Однако полноценным серийным пневмобилем стал проект One Cat – более современная интерпретация мексиканского такси Zero Pollution. В легких и безопасных карбоновых баллонах под давлением 300 бар может храниться до 300 литров сжатого воздуха.
 
Возникает законный вопрос: “Почему же автомобили с такими прекрасными характеристиками до сих пор не производятся в массовых количествах?” Есть мнение, что экологическую разработку саботировали автомобильные гиганты: предвидя приближающийся крах, когда выпускаемые ими бензиновые двигатели никому не будут нужны. Они якобы решили выскочку “задушить на корню”. Однако, многие независимые эксперты настроены скорее скептически, тем более, что ряд крупных автомобильных концернов — например, “Фольксваген”, — уже в 70-х и 80-х годах вели исследования в этом направлении, но затем свернули их ввиду полной бесперспективности.
 
Сжатый воздух, даже при давлении в 300 бар, имеет низкую энергетическую плотность. Она достигает около 0,1 МДж/литр (с учетом возможности нагрева воздуха), что сравнимо с емкостью электрохимических, свинцовых аккумуляторных батарей. Автомобили обычного размера и формы потребляют на ведущем валу около 0,6 – 1,0 МДж на 1 км пути, хотя совершенствование формы может привести к уменьшению этого числа. Исходя из этих данных, легко можно посчитать на какой пробег хватит обычному автомобилю 300 литров сжатого воздуха. Автомобиль имеет всего 30 МДж, и в лучшем случае использует 0,6 МДж на 1 км пути. Значит, автомобиль с таким запасом энергии может преодолеть всего 50 км пути.
 
Вполне возможно, что автомобили, специально созданные для воздушного привода, имеют значительно меньший расход энергии, поэтому и преодолевают расстояние до 200 км без дозаправки. Одним из путей создания такого автомобиля является уменьшение его собственной массы. Но этот путь требует применения очень легких и прочных пластических масс, которые в настоящее время пока еще очень дорогие. Именно это обстоятельство сдерживает массовое производство столь перспективных автомобилей. Массовый автомобиль должен быть не только экономичным, но и достаточно дешевым. Таким автомобилем должны пользоваться люди с невысокими доходами. Богатых людей вполне устраивают современные автомобили, работающие на органическом топливе.
 
Есть и второй путь увеличения пробега автомобиля, работающего на сжатом воздухе. Этот путь более перспективный, но и более наукоемкий. Необходимо создать очень экономичный двигатель, к.п.д. которого приближается к единице. В вышеописанной конструкции применен серийный поршневой двигатель с некоторой конструктивной доработкой. В конструкцию двигателя введен малый цилиндр и поршень, в котором воздух сжимается до 20 бар, и за счет этого нагревается до 400 градусов Цельсия. Но ведь на это сжатие требуется определенная энергия, которая может использоваться на привод автомобиля. Тепловая энергия, полученная за счет сжатия воздуха другим видом энергии, да еще с большими потерями, не может привести к значительному увеличению к.п.д. двигателя.
Смешивая сжатый и нагретый воздух в цилиндре с холодным воздухом из баллонов, невозможно получить температуру в цилиндре более 200 градусов Цельсия. За счет такой низкой температуры давление воздуха в рабочем ходе поднимется незначительно. Если учесть, что в обычном двигателе при вспышке топлива температура поднимается более 2000 градусов Цельсия, а к.п.д. двигателя в этом случае не превышает 33 процентов, то к.п.д. воздушного двигателя получается совсем низким. По циклу Карно диаграмма имеет площадь полезной работы при подводе внешней тепловой энергии. В данном случае тепловая энергия подводится только за счет внутренней энергии сжатого воздуха.
 
Если воздух просто расширить на воздушной турбине, или в лопаточном пневмодвигателе, как это осуществляется в пусковых устройствах современных двигателей, то большая часть энергии выдувается в выхлопную трубу. Дело в том, что при расширении воздуха с 300 бар до одной атмосферы, он охлаждается примерно на 200 градусов Цельсия. Холодный воздух имеет очень высокую плотность, поэтому не может расшириться до первоначального объема. Эта разница температуры в 200 градусов уменьшает полезную работу сжатого воздуха примерно в два раза. Именно в этом заключена вся проблема использования сжатого воздуха на транспорте. Предварительным сжатием воздуха и нагреванием его до 400 градусов Цельсия проблема не решается, хотя, по всей вероятности, некоторый эффект имеется.
 
Более того, все недостатки поршневого двигателя остались. Очень сложная схема кривошипно — шатунного механизма, который имеет большое количество трущихся опор. Сложная механика двигателя требует затраты дополнительной энергии на привод механизма. При смешивании горячего и холодного воздуха необходимо определенное время для выравнивания температуры. Для этой цели разработана специальная муфта, которая задерживает движение поршня в верхней мертвой точке. Дополнительный цилиндр, поршень и муфта не только усложняют конструкцию, но и увеличивают потери энергии в двигателе.
 
Из-за возникших трудностей разработчикам пришлось применить органическое топливо. Получился комбинированный двигатель, который работает не только за счет сжатого воздуха, но и за счет энергии сгоревшего топлива. Первоначальный замысел создателей автомобиля себя не оправдал из-за низкой эффективности разработанного двигателя. И все-таки комбинированный двигатель по своим параметрам значительно лучше, чем обычные двигатели. Даже незначительный подогрев сжатого воздуха органическим топливом приводит к значительному повышению к.п.д. воздушного цикла, а значит, увеличивается пробег автомобиля.
 
Кроме потерь энергии в двигателе, часть энергии сжатого воздуха теряется в баллонах. Для работы двигателя необходим сжатый воздух, имеющий давление не более 20-25 бар. Для получения такого давления используется редуктор. В этом устройстве давление уменьшается с 300 бар до 25 бар, значит, в этом диапазоне энергия сжатого воздуха не используется. Если в баллонах осталось давление ниже 20 бар, то его также невозможно эффективно использовать. Эти потери не очень большие, порядка десяти процентов, но, суммируясь с вышеперечисленными потерями, составляют большую часть от запасенной в баллонах энергии сжатого воздуха.
 
Существующий механический привод автомобилей также очень сложный, имеет много трущихся пар, в которых происходят потери энергии. При использовании органического топлива эти потери незначительные, но для автомобилей с воздушным приводом довольно ощутимы. За многие десятилетия эволюции механические трансмиссии достигли своего совершенства, и добиться чего-то большего практически невозможно.
 
В современных электромобилях привод колес осуществляется электромоторами, вмонтированными непосредственно в колеса. С помощью бортового компьютера электрическая энергия очень экономично распределяется на колеса. Электрическая трансмиссия быстро совершенствуется, а ее к.п.д. приближается к единице, поэтому для автомобилей с воздушным приводом она идеально подходит.

Автор: Н.Т.Бобоед