Pneumatyczny napęd pojazdu został po raz pierwszy użyty do napędu tramwaju. Byto to w okresie miedzy wprowadzeniem tramwajów konnych (1832 rok, Nowy Jork) i tramwajów o napędzie elektrycznym (1881 r., Berlin).

Rys. 1 Tramwaj systemu Ludwika Mękarskiego [1] Na przednim pomoście (z prawej strony) widoczna  jest górna część wymiennika ciepła. Pod pomostem tylnym – butle sprężonego powietrza

W 1840 roku w Paryżu zbudowano eksperymentalną linię, w której czynnikiem napędowym było powietrze atmosferyczne [1]. Między szynami pojazdu zakopano rurę z tłokiem, rozciętą wzdłużnie. Tłok był połączony z pojazdem za pomocą krótkiego cięgna, a siła napędowa powstawała dzięki odsysaniu jednego końca rury. Wiele kłopotu sprawiało zapewnienie szczelności takiej podciśnieniowej instalacji. Stosowano do tego celu skórę nasączoną łojem – skądinąd przysmak szczurów.

Instalacje z powietrzem rozrzedzonym zastosowano następnie z powodzeniem w poczcie pneumatycznej, a w pojazdach przeznaczonych do transportu miejskiego chętniej stosowano powietrze sprężone.

W miastach powstawały centralne kompresorownie, a sprężone powietrze rozprowadzano do końcowych przystanków tramwajowych za pomocą podziemnych rur. Tramwaje woziły butle, które napełniano na tych przystankach. Podczas jazdy powietrze przepływało z butli przez zawór redukcyjny do cylindrów napędzających koła. Przy rozprężaniu powietrza w zaworze i w cylindrach znacznie się ono ochładza. Gdy zawarta w powietrzu wilgoć zestalała się, dochodziło do zatykania kanałów przepływowych i pojazd awaryjnie zatrzymywał się.

Ten problem został rozwiązany przez francuskiego konstruktora o polskich korzeniach – Ludwika Mękarskiego (1843-1923). W 1872 roku uzyskał on patent na system podgrzewania powietrza w wymienniku ciepła, umieszczonym na przednim pomoście tramwaju. Powietrze zmagazynowane w butlach było przed zaworem redukcyjnym kierowane do naczynia zawierającego wodę o temperaturze ok. 170 stopni Celsjusza i przegrzaną parę wodną.

Rys. 2 Samochody o napędzie pneumatycznym firmy MDI: u góry AirPod, u dołu One FlowAir [3]

Nie tylko podgrzewała ona powietrze, ale także smarowała tłok w cylindrze. Podgrzewacz powietrza nazwano po francusku bouillotte (dosłownie: imbryczek, termofor). Zastosowany system zyskał nazwę Mekarski bouillotte system. Wtrysk gorącej pary realizowano na przystankach krańcowych. Znane też było rozwiązanie z paleniskiem koksu pod wymiennikiem.

Typowy tramwaj, uruchomiony w Paryżu w roku 1876, pokazany na rys. l, był skonstruowany następująco. Powietrze o ciśnieniu 25 barów (2,5 MPa) było zgromadzone w ośmiu zbiornikach o średnicy 300 lub 400 mm, umieszczonych pod podłogą tramwaju. Wymiennik ciepła był pionowym walcem o średnicy 350 mm i wysokości 1,5 m. Panowała w nim temperatura 180 °C i ciśnienie 7 barów. Przednia oś tramwaju była napędzana dwoma cylindrami o średnicy 125 mm i skoku 250 mm, a powietrze dopływające do cylindrów miało ciśnienie 5 barów. Z maksymalną liczbą 30 pasażerów masa pojazdu wynosiła 7000 kg.

W Nantes kursowały 22 takie lub podobne tramwaje, osiągające średnią prędkość 9 km/h na 6-kilometrowych trasach. Lądowanie zbiorników na krańcowych przystankach zajmowało 20 minut. Uruchomiono kilka takich linii. Tego typu transport miejski chwalono za płynny, cichy ruch [1]. Nie trzeba było po nim sprzątać ulicy (jak w przypadku tramwajów konnych), nie wydzielał też dymu.

Rys. 3 Samochód konstrukcji Angelu di Pietro z australijskiej firmy EngineAir [4]

Lokomotywy pneumatyczne, wyprodukowane w Crenot (Francja) przez firmę Schneider, zastosowano do transportu urobku w roku 1875 przy drążeniu 15-kilometrowego tunelu pod górą Świętego Gottharda [2].

Obecnie prace nad pneumatycznym napędem pojazdów są prowadzone przez kilka większych ośrodków i w mniejszych zespołach, także przez utalentowanych amatorów. Do masowej produkcji nie wdrożono jednak dotąd żadnego takiego pojazdu. Piszący te słowa jest zdania, że informacje podawane przez różne firmy na temat samochodów pneumatycznych należy traktować ostrożnie, a do rewelacyjnych nieraz danych technicznych trzeba podchodzić nieufnie.

Francuska firma MDI (Motor Development International) proponuje 6 modeli samochodów o napędzie pneumatycznym [3]. Na rys. 2 przedstawiono dwa z nich. Przeznaczony tylko do ruchu miejskiego AirPod ma wymiary (długość x szerokość x wysokość) 2,07 x 1,6 x 1,74 m, masę 220 kg, 2 lub 3 miejsca i silnik o mocy 5,45 kM zasilany powietrzem o ciśnieniu 18 barów, pobieranym ze 175-litrowego zbiornika napełnionego do 350 barów. Rozwija prędkość do 70 km/h i ma zasięg 220 km.

Niektóre modele samochodów firmy MDI mają silniki odmiany dual energy. Dowolne paliwo płynne, zużywane w niewielkiej ilości (2 l na 100 km), jest w nich wykorzystywane do podgrzewania rozprężającego się powietrza bezpośrednio przed wejściem do silnika.

Rys. 4 Koreański samochód hybrydowy o napędzie pneumatycznym i elektrycznym PHEV. u góry – na targach samochodowych w Genewie, u dołu – schemet zasilania silnika [5]

Australijska firma EngineAir proponuje samochód [4] pokazany na rys. 3. Oryginalny silnik łopatkowy charakteryzuje się bardzo małym ciśnieniem powietrza, wystarczającym do biegu luzem. Wynosi ono l psi (pound per sguare inch = funtów na cal kwadratowy, l psi« 0,07 bara). Z kolei koreańska firma Energine oferuje samochód typu PHEV, którego nazwa wyjaśnia dwa źródła energii: Pneumatic Hybrid Electric Yehicle [5].

Pokazano go na rys. 4 wraz ze schematem zasilania silnika. Samochód ma masę 400 kg i osiąga maksymalną prędkość 60 km/h. Zapas powietrza o ciśnieniu 500 barów (50 MPa), zgromadzonego w zbiorniku o objętości 200 l, wystarcza nadwie godziny jazdy. Źródłem napędu w typowym ruchu ustalonym jest silnik elektryczny. Przy zwiększonym zapotrzebowaniu na moc komputer włącza silnik zasilany sprężonym powietrzem.

W Polsce w późnych latach sześćdziesiątych XX wieku na potrzeby górnictwa produkowano stacjonarne silniki pneumatyczne. Miało to miejsce w Wytwórni Maszyn Górniczych Niwka im. Marcelego Nowotki w Sosnowcu. Były to silniki tłokowe o gwiaździstym układzie cylindrów. Przykładowo, silnik STG-9 miał 5 cylindrów o średnicy 100 mm i skoku 64 mm. Został zaprojektowany na przełomie lat 1965/66. Rozwijał moc 9 kM przy prędkości obrotowej 800 obr/min i ciśnieniu 4 bary. Zużywał 55 NmYkMh powietrza. Jego masa wynosiła 93 kg, a gabaryty (długość x szerokość x wysokość) 390 x 440 x 418 mm. Wydaje się, że nie prowadzono prób zastosowania tych silników do celów trakcyjnych.

Rys. 5 Modelowy silnik pneumatyczny skonstruowany na Wydziale Inżynerii Produkcji Politechniki Warszawskiej [6,7]

Na Wydziale Inżynierii Produkcji Politechniki Warszawskiej skonstruowano – w ramach grantu dziekana wydziału, pod kierunkiem autora niniejszego tekstu -prototypowy silnik pneumatyczny [6, 7] pokazany na rys. 5. Cylindrami silnika były dwa siłowniki pneumatyczne o średnicy 32 mm produkcji CPP Prema w Kielcach, ustawione w układzie V. Do generowania momentu obrotowego wykorzystano zarówno ruch pchający, jak i ciągnący siłowników. Siłowniki były zasilane przez rozdzielacz obrotowy, który umożliwiał nastawianie stopnia napełnienia cylindrów, jak i nastawianie kąta wyprzedzenia początku wtrysku powietrza. Ten modelowy silnik rozwijał moc 0,17 kW przy 240 obr/min i zasilaniu powietrzem o ciśnieniu 5 barów (0,5 MPa). Zużywał wtedy powietrze w ilości 7,5 Nl/h. Po krótkim przestoju nieobciążony silnik ruszał przy ciśnieniu 0,05 bara.

Rys. 6 Właścicel firmy Regusci Air, Armando Regusci, ze swoim roewrem pneumatycznym [9] i pneumatycczny rower skonstruowany z elementów firmy FESTO przez niemieckich studentów [8]

Na rys. 6 pokazano dwie interesujące, amatorskie konstrukcje spneuma-tyzowanych rowerów.

Czy samochody napędzane sprężonym powietrzem są efektywne i proekologiczne? Efektywność energetyczna takich samochodów, a także ocena szkodliwości dla środowiska samego procesu uprzedniego sprężania gazu, zależą od przyjmowanych modeli obliczeniowych i założeń upraszczających. Wyniki takich obliczeń można interpretować różnie. Znana jest ostra polemika na ten temat, jaka miała miejsce między zespołem autorów z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley [10] a konstruktorami z firmy MDI [3].

Po przeprowadzeniu odpowiednich obliczeń autorzy [10] sformułowali wniosek, że samochód na sprężone powietrze jest znacznie mniej efektywny i produkuje więcej gazów cieplarnianych niż konwencjonalny samochód zasilany gazem LPG. Drugi wniosek jest bardziej pomyślny: napęd hybrydowy pneumatyczno-spalinowy byłby obecne wykonalny i opłacalny – mógłby konkurować ze współczesnymi hybrydami elektryczno-spalinowymi. Konstruktorzy z firmy MDI nie zgadzają się jednak z tymi wnioskami [3], twierdząc, że na Uniwersytecie Kalifornijskim uczeni porównują obiekty nieporównywalne.

Autor: dr hab. inż. Jerzy Iwaszko

Wydział Inżynierii Produkcji

Instytut Mechaniki i Poligrafii Politechniki Warszawskiej

Literatura:
1. www.tramwayinfo.com
2. www.teberia.pl
3. mdi.lu
4. engineair.com.au
5. energie.com
6. Iwaszko J.: Dwusiłownikowy silnik pneumatyczny. Politechnika Warszawska, Instytut Mechaniki i Konstrukcji Wydziału Inżynierii Produkcji. Sprawozdanie 501/G/1101/0218, nieopublikowane.
7. Iwaszko J.: Silnik pneumatyczny zbudowany z wykorzystaniem siłowników pneumatycznych. Referat na seminarium Innowacje-Technologie-Maszyny. Salon Hydrauliki, Pneumatyki i Napędów. Poznań, 9.06.2008 r.
8. Vogel G., Muehlberger E.: Fascynujący świat Pneumatyki. Festo Polska, 2003.
9. www.regusciair.com
10. Creutzig F. et al.: Economic and environmental evaluation of compressed-air cars. Environ. Res. Lett. 4 (2009)

Artykuł pierwotnie ukazał się w Czasopiśmie Pneumatyka nr 1(78) 2011 na stronach 10-12