Ścigacz.pl

Dawno temu silniki parowe przegrały z silnikami spalinowymi walkę o panowanie nad drogami. Dzisiaj wracają w nowym wcieleniu, lecz czy zostaną na dłużej?

Miałem 8 albo 9 lat, kiedy mój tata przywiózł mi z nieistniejącego już państwa zabawkowy samochodzik. Miniaturowy buggy miał z przodu mały zbiorniczek, połączony rurką z jednocylindrowym silniczkiem, jednak coś mi nie pasowało w tej konstrukcji. Jako młody adept modelarstwa miałem już wtedy trochę doświadczenia z silnikami spalinowymi i wiedziałem, że taka jednostka napędowa nie powinna być wykonana z przejrzystego, niebieskawego plastiku... Sprawa się wyjaśniła, gdy na dnie pudełka znalazłem pompkę - tak wyglądał mój pierwszy kontakt z silnikiem pneumatycznym. Potem był jeszcze samolot z podobnym napędem, zasilany nabojem na sprężony dwutlenek węgla, takim samym jak stosowanym przy domowym wytwarzaniu „wody sodowej". A potem na długo zapomniałem o tym rozwiązaniu.

Później spotykałem się z napędami pneumatycznymi w szeroko rozumianej motoryzacji przy różnych okazjach. W historii motoryzacji pojawiły się już pod koniec XIX wieku za sprawą konstruktora o polskich korzeniach: Luis Mekarski (Ludwik Mękarski) w 1870 roku opracował pneumatyczny napęd w tramwajach, używanych później w kilku francuskich miastach jeszcze na początku XX wieku. Napędy te w pewnej formie były (i są) stosowane do rozruchu dużych silników spalinowych (samoloty, czołgi, kutry). Co ciekawe, nie stosuje się tutaj oddzielnego silnika pneumatycznego, a jedynie wykorzystuje sprężone powietrze do poruszenia tłoków samego silnika spalinowego. Napędy pneumatyczne pojawiają się też w książkach sci-fi (że wspomnę tylko rodzimy „Vertical" Rafała Kosika). Jednak zawsze traktowałem to rozwiązanie raczej jako ciekawostkę, niż realną alternatywę dla silników spalania wewnętrznego. Do niedawna. Kiedy na stronach Ścigacza przeczytałem o motocyklu Green Speed Motorcycles z napędem pneumatycznym, przyjrzałem się tematowi nieco bliżej.

W swoich ogólnych założeniach napęd pneumatyczny jest dosyć prostą koncepcją. W dużym uproszczeniu mamy do czynienia ze zbiornikiem sprężonego gazu (powietrza) doprowadzającym czynnik roboczy poprzez przewód pneumatyczny do głowicy zaworowej cylindra, w którym rozprężający się gaz porusza tłokiem.

Zalety takiego rozwiązania są oczywiste. „Czynnik roboczy" jest wszędzie. Wystarczy kompresor i możemy „zatankować" nasz „pneuma-moto". W zasadzie, jeżeli do wału silnika pneumatycznego podłączymy nieduży silnik elektryczny, to nasz pojazd może się sam „dotankować", wystarczy dostęp do gniazdka elektrycznego i silnik pneumatyczny będzie pracował jako pompa. Natomiast sam silnik elektryczny w odwróconym trybie może być wykorzystywany jako alternator. Prąd tak czy inaczej będzie potrzebny, bo żarówek na powietrze jeszcze nie wymyślono. To uzupełnianie czynnika roboczego „z gniazdka" tworzy analogię do napędów elektrycznych, nie jedyną z resztą. Teoretycznie, napęd pneumatyczny nie wymaga sprzęgła ani skrzyni biegów, co upraszcza konstrukcję. Odpowiedni zawór sterująco - odcinający, umieszczony pomiędzy zbiornikiem powietrza i silnikiem załatwi sprawę. Kiedy chcemy zwiększyć prędkość obrotową silnika, zwiększamy przepływ czynnika, zaś sterowanie ciśnieniem przełoży się na wartość momentu obrotowego.

Tłokowy silnik pneumatyczny pracuje w trybie „praca-wydech", co czyni go podobnym w charakterze działania do spalinowego silnika dwusuwowego. Jest jednak pewna ciekawostka, zwiększająca wydajność konstrukcji pneumatycznej przy minimalnym wzroście wymiarów i masy, a pochodząca z silników parowych. Jeżeli odłączymy skrzynię korbową od bloku cylindra i zastąpimy ją drugą głowicą zaworową, uzyskamy możliwość dwukierunkowej pracy tłoka. Niejako w jednym cylindrze i z jednym tłokiem zbudujemy dwucylindrowy silnik. Takie rozwiązanie pozwoli też na znaczne zredukowanie masy koła zamachowego. Zysk jest chyba oczywisty? Pod względem płynności pracy konstrukcja ta będzie porównywalna ze spalinowymi dwusuwowymi dwucylindrowcami, lub czterosuwowymi czwórkami. A jak dołożymy jeszcze jeden cylinder...

Są też inne sposoby na zwiększenie wydajności napędu pneumatycznego. Istnieją co najmniej dwie koncepcje swego rodzaju hybryd pneumatyczno-elektrycznych i pneumatyczno-spalinowych. Generalnie chodzi o to, aby sprężone powietrze dodatkowo podgrzać, tuż przed podaniem do cylindra w pośredniej komorze rozprężnej, a energia do tego może pochodzić z grzałki elektrycznej, bądź ze spalania paliwa płynnego. Prostsze wersje przewidują podgrzewanie całego zbiornika na powietrze. I tutaj chciałbym się na chwilę zatrzymać. W podtytule wspomniałem o powrocie silników parowych, a artykuł traktuje o pneumatycznych, nie mniej nie uważam tego za błąd. Jeżeli przyjrzymy się schematowi silnika pneumatycznego z podgrzewanym zbiornikiem gazu i zestawimy to ze schematem silnika parowego, podobieństwo będzie jasne chyba dla każdego. Z tego właśnie powodu uważam napędy pneumatyczne za ewolucję napędów parowych, gdzie w trakcie modyfikowania amputowano kocioł, choć jak widać, też nie do końca.

Przedstawiłem pewne cechy napędów pneumatycznych będące niewątpliwie ich zaletami. Ale mają też one swoje słabe strony. Podstawowa wada, to ograniczenia w pojemności zbiorników powietrza wynikające z fizyki gazów. Sprężać je możemy do pewnego ciśnienia, powyżej którego wchodzimy w technologie kriogeniczne, a to z jednej strony komplikuje technologię, z drugiej wprowadza poważne niebezpieczeństwo rozszczelnienia podczas „szlifu". Nie sądzę, aby ktokolwiek chciał ryzykować oblanie płynnym azotem z rozerwanego zbiornika... No, ale kto wie, ten problem pewnie da się jakoś rozwiązać. Płynnego wodoru też kiedyś nie potrafiono przechowywać, aż ktoś wpadł na pomysł magazynowania go w postaci koloidu z acetonem. Są też kwestie przygotowania powietrza. Nie możemy go ładować do zbiornika jakkolwiek się uda. Gwałtownie rozprężające się powietrze ma to do siebie, że w trakcie procesu oziębia się. Im większa różnica ciśnień, tym silniejsze wychłodzenie. Każdy może łatwo sprawdzić tą zasadę, najpierw chuchając delikatnie na dłoń, a potem dmuchając w to samo miejsce przez cienką słomkę. Gwarantuję, że jeszcze w ustach w obydwu przypadkach powietrze miało niemalże identyczną temperaturę. To zjawisko oznacza, że szronem, a nawet lodem mogą pokrywać się zewnętrzne elementy silnika. Samolocik, który miałem za młodu, po dłuższym locie miał cały cylinder pokryty lodem, nawet w upalne dni. Rosnąca w czasie jazdy pomiędzy nogami bryła lodu zapewne niektórym by się przydała, ale mnie to nie pociąga. To samo zjawisko może doprowadzić też do uszkodzenia wewnętrznych elementów silnika. Wystarczy, że „zatankujemy" w ciepły i wilgotny wieczór, a rano, kiedy będziemy chcieli ruszyć w trasę, przywitają nas temperatury niewiele odbiegające od zera. Oczywiście można częściowo temu zaradzić, stosując osuszacze powietrza, ale to wszystko podraża i komplikuje konstrukcję. Rozpracowując to dokładnie, okaże się, że wersja użytkowa motocykla pneumatycznego nie wygląda już tak obiecująco... Niemniej, coś musi być na rzeczy, skoro konstruktorzy rodem z F1 angażują się w projekty związane z motoryzacją pneumatyczną, jak chociażby Guy Genre opracowujący samochód opisywanego systemu dla pewnego hinduskiego potentata. Czy doczekamy pneumatycznych jaguarów?

Osobiście wątpię, aby tak właśnie wyglądała przyszłość motoryzacji dwukołowej. Moim skromnym zdaniem (gdzie mi do Guy'a) napędy elektryczne mają znacznie większy potencjał. Jednak jest to tylko moje zdanie, wcale nie wiążące i nic bardziej ważkie od opinii zwolenników pneumatyki na drogach. To, że czegoś sobie nie możemy wyobrazić, znaczy tylko tyle, że mamy niewystarczającą wyobraźnię i każdy prorokujący o przyszłości musi się z tym liczyć.