EA020546B1 - Транспортное средство с приводом от пневмодвигателя - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к транспортным средствам с приводом от пневмодвигателя, который использует сжатый воздух, получаемый путем компрессии в процессе движения транспортного средства. Изобретение может быть использовано в наземных транспортных средствах, метрополитене, водных транспортных средствах и/или воздушных транспортных средствах любого назначения. Предложено транспортное средство с приводом от пневмодвигателя, содержащее скомпонованные соответствующим образом корпус, движитель, системы и механизмы управления, систему электрообеспечения, пневмодвигатель, выполненный с возможностью передачи посредством трансмиссии энергии на движитель и средство для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением. Транспортное средство дополнительно содержит средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха под заданным давлением, включающее связанные между собой турборотор(ы) и компрессор(ы), а также редуктор. В корпусе в зоне размещения турборотора предусмотрено соответствующее средство для забора воздуха, содержащее сквозное(ые) отверстие(я). Компрессор связан со средством для непрерывно-циклического накопления и хранения сжатого воздуха и с редуктором, а редуктор связан со средством для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением и с пневмодвигателем. Транспортное средство имеет практически неограниченный запас хода при меньшем относительном объеме баллонов со сжатым воздухом и меньшем давлении сжатого воздуха в баллонах (что позволит снизить безопасность транспортного средства) при сохранении высокой надежности.

Description

Изобретение относится к транспортным средствам различного назначения, а именно к транспортным средствам с приводом от пневмодвигателя, в частности к транспортным средствам с приводом от пневмодвигателя, который использует сжатый воздух, получаемый путём компрессии в процессе движения транспортного средства. Изобретение может быть использовано в наземных транспортных средствах, метрополитене, водных транспортных средствах и/или воздушных транспортных средствах любого назначения.

Идея использования энергии сжатого воздуха в качестве движущей силы на транспорте была распространена достаточно широко в середине-конце XIX века. Однако конструкции таких транспортных средств были несовершенными, и не был решён вопрос их достаточной и удобной заправки. Поэтому с ростом добычи нефти основное развитие получили двигатели внутреннего сгорания, которые вытеснил из транспорта практически все другие, включая пневмодвигатели, виды тяговых двигателей. Пневматический привод в транспорте долгие годы сохранялся лишь в качестве привода вспомогательных механизмов: тормозов, открытия дверей и прочих узлов или устройств, где не требуется затрат большого количества энергии. В то же время пневмопривод значительно удобнее, безопаснее, экологичнее других видов привода. С учётом этого в последнее время конструкторы из различных стран возобновили разработки современных пневмомобилей. Наиболее известные современные разработки в этом направлении, в том числе подтверждённые реальными моделями пневмоавтомобилей, принадлежат компании Мо!ог Иеуе1ортеи! 1п1егиа1юиа1 (МИ1), занимающейся разработкой автомобилей на сжатом воздухе уже более десяти лет, основателем которой является французский изобретатель Ги Негрэ [1]. Подробности конструкции пневмомобиля МииС.Л.Т. этой компании держатся в секрете, однако известно, что это поршневой двигатель объёмом 800 см³, в механизме которого связь поршня с коленвалом обеспечена таким образом, чтобы поршень останавливался в мёртвой точке, давая большему количеству воздуха заполнить цилиндр. После такой остановки поршень с ускорением срывается вниз. При этом сам выходной вал вращается равномерно. Заправка пневмомобиля может осуществляться на специальной станции и займет всего 2-3 мин. Можно также подключить автомобиль к розетке, предусмотрена возможность работы двигателя в режиме компрессора. Такая дозаправка займёт по меньшей мере 3-4 ч. При усовершенствовании этой конструкции приходилось решать проблемы с низкой мощностью, чрезмерной сложностью мотора и вибрациями при работе.

В общем случае, в пневмомобиле (воздухомобиле) энергия запасается путём нагнетания сжатого воздуха с помощью соответствующих внешних устройств в баллоны, расположенные в транспортном средстве (в частности, в днище транспортного средства). Из баллонов через систему распределения воздуха сжатый воздух попадает в пневмодвигатель, приводящий автомобиль в движение. Специалисты наряду с ощутимыми преимуществами пневмомобилей отмечают и ряд их недостатков, среди которых небольшая мощность, невысокая безопасность в аварийных ситуациях, большой относительный объём, занимаемый баллонами со сжатым воздухом, и их большая относительная масса и т.д. Основным недостатком существующих пневмомобилей, препятствующим их широкому распространению, является небольшой запас хода, определяемый ограничением, накладываемым на объём баллонов со сжатым воздухом. Основным путём увеличения хода является повышение давления сжатого воздуха, однако это связано с усложнением и удорожанием как баллонов, так и систем воздухораспределения. Анализ уровня техники также показал, что основные разработки, связанные с совершенствованием конструкций пневмомобилей, направлены на усовершенствование систем распределения сжатого воздуха, его подачи в пневмодвигатель, а также на усовершенствование конструкций самих пневмодвигателей [2-6].

В то же время в машиностроении существует целое направление, которое занимается усовершенствованием аэродинамических характеристик кузовов транспортных средств с целью снижения сопротивления встречных потоков воздуха. При этом разработки направлены только на изменение встречных потоков воздуха со снижением силы сопротивления и давления потока воздуха, в частности посредством выбора специальных форм выполнения и мест расположения деталей кузова транспортного средства [7].

Учитывая значительные величины энергии потоков воздуха, в частности встречных потоков воздуха при движении транспортного средства, которые возрастают пропорционально скорости движения транспортного средства (силы сопротивления воздуха растут пропорционально квадрату скорости потока), логичным с точки зрения автора представляется не просто преодоление сопротивления встречного потока воздуха с наименьшими потерями эффективности расходования энергии транспортным средством, а возможное полезное использование по меньшей мере части энергии встречного потока воздуха. В этой связи, автор провёл всестороннее изучение и проработку вопроса принципиальной возможности использования энергии встречного(ых) потока(ов) воздуха для зарядки пневмомобиля в процессе движения, создал и испытал ряд моделей (в уменьшенном масштабе) пневмомобилей. При этом при анализе существующего уровня техники практически не было найдено источников информации, в которых бы были упомянуты технические решения, связанные с зарядкой транспортных средств с пневматическим приводом (наземных, метрополитен, воздушных, водных) в процессе их движения. По совокупности общих технических признаков в качестве прототипа для заявляемого транспортного средства выбрано механическое транспортное средство, снабжённое воздушным двигателем [8], который соответствует по своим функциям составной части заявляемого транспортного средства - пневмодвигателю. Однако в та- 1 020546 ком механическом транспортном средстве отсутствуют отдельные средства для формирования рабочего тела с заданными характеристиками (давлением) перед подачей его в пневмодвигатель, что снижает его общую эффективность.

Таким образом, задачей изобретения является создание конструкции транспортного средства с приводом от пневмодвигателя, который имел бы значительно больший запас хода при меньшем относительном объёме баллонов со сжатым воздухом и меньшем давлении сжатого воздуха в баллонах (что позволит снизить безопасность транспортного средства) при сохранении высокой надежности.

Поставленная задача решается заявляемым транспортным средством с приводом от пневмодвигателя, выбранным из группы, включающей наземное транспортное средство, метрополитен, водное транспортное средство и воздушное транспортное средство, и содержащим скомпонованные соответствующим образом корпус транспортного средства, движитель, системы и механизмы управления, систему электрообеспечения, пневмодвигатель, выполненный с возможностью передачи посредством трансмиссии энергии на движитель, и средство для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением. Поставленная задача решается за счёт того, что транспортное средство дополнительно содержит средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха под заданным давлением, включающее связанные между собой по меньшей мере один турборотор и по меньшей мере один компрессор, а также редуктор. При этом в корпусе в зоне размещения турборотора предусмотрено соответствующее средство для забора воздуха, содержащее, по меньшей мере, сквозное отверстие. Компрессор связан со средством для непрерывно-циклического накопления и хранения сжатого воздуха и с редуктором, а редуктор связан со средством для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением и с пневмодвигателем.

Современное развитие техники позволяет обеспечить любое транспортное средство соответствующими ему (по размеру, массе, мощности и т.п. характеристикам) турбороторами и компрессорами. Количество таких турбороторов и/или компрессоров, а также места их расположения могут быть выбраны в каждом конкретном случае с учетом ряда факторов, среди которых форма выполнения корпуса (кузова) транспортного средства, его размеры, планируемая мощность и/или грузоподъёмность (т.е. планируемый расход энергии сжатого воздуха), тип (наземное, метрополитен, воздушное, водное) транспортного средства и т.д. Таким образом, в заявляемой конструкции транспортного средства кинетическая энергия встречного потока воздуха преобразуется посредством турбороторов, компрессоров и пневмодвигателя в механическую работу, передаваемую на движитель (колёса и т.п.). При этом достаточно даже небольшой скорости движения (в зависимости от конкретной конструкции турборотора и средства для забора воздуха, их количества и мест установки), чтобы инициировать процесс компрессии воздуха и его накопления в соответствующем средстве для хранения. В зависимости от стадии движения, скорости движения и других условий (например, текущее давление сжатого воздуха в средстве для хранения сжатого воздуха) сжатый воздух из каждого компрессора может поступать как в средство для хранения сжатого воздуха, так и в редуктор для непосредственной подачи в пневмодвигатель. Переключение контуров подачи сжатого воздуха может осуществляться в зависимости от модификации транспортного средства как в автоматическом режиме (например, по значению допустимого минимального/максимального давления в средстве для хранения сжатого воздуха), так и в режиме ручного управления (в соответствии с показателями контрольно-измерительных приборов).

В различных формах реализации средство для хранения сжатого воздуха может иметь различные формы выполнения, в том числе традиционные для известных пневмомобилей. В предпочтительных формах реализации средство для хранения сжатого воздуха может быть выполнено в виде кассетного накопителя, состоящего по меньшей мере из двух отдельных отсеков, расположенных в днище корпуса, каждый из которых выполнен с возможностью независимой связи с компрессором и с редуктором. При этом само днище может быть выполнено в виде кассетного наполнителя. Как и в описанном выше случае, выбор определенной кассеты для подачи в неё сжатого воздуха из компрессора может осуществляться либо автоматически, либо в ручном режиме.

Из практики использования воздушных потоков для производства различных видов энергии известно, что в стационарных ветроустановках даже в условиях штиля можно получить достаточный крутящий момент на валу турборотора при правильной организации сбора и/или забора воздушного потока для вращения лопастей. С учётом этого в предпочтительных формах реализации заявляемого транспортного средства средство для забора воздуха дополнительно снабжено воздухонаправителем и/или воздухоулавливателем, которые позволяют аккумулировать как можно больший поток воздуха через сквозное(ые) отверстие(я) в корпусе в зоне(ах) установки турборотора(ов).

Для повышения степени надёжности заявляемое транспортное средство может быть дополнительно снабжено по меньшей мере одним электрокомпрессором, связанным со средством для хранения сжатого воздуха и выполненным с возможностью функционирования от стационарной электросети.

В предпочтительных формах реализации заявляемое транспортное средство может быть дополнительно снабжено генератором, связанным с турборотором, а система электрообеспечения выполнена с возможностью функционирования от указанного генератора и дополнительно снабжена аккумуляторной батареей.

- 2 020546

Большинство известных из уровня техники транспортных средств (автомобилей) с пневмоприводом представляют собой гибридные транспортные средства, т.е. выполнены с возможностью и другого вида привода, например электрического и т.д. В некоторых формах выполнения заявляемое транспортное средство дополнительно может быть снабжено приводом, функционирующим по меньшей мере на одном дополнительном виде энергии, выбранном из группы, включающей, по меньшей мере, электрическую энергию, гидравлическую энергию, энергию природного углеводородного топлива, энергию синтетического углеводородного топлива, солнечную энергию. Такое исполнение может дополнительно улучшить характеристики транспортного средства (повысить надёжность, мощность, грузоподъёмность и т.д.).

Упомянутые выше и другие достоинства и преимущества заявляемого транспортного средства с приводом от пневмодвигателя будут рассмотрены более подробно на одном из возможных предпочтительных, но не ограничивающих примеров реализации со ссылками на позиции фигур чертежей, на которых представлены:

фиг. 1 - схематичное изображение наземного транспортного средства (вид сбоку);

фиг. 2 - принципиальная схема компрессии воздуха с использованием кинетической энергии встречного(ых) потока(ов) воздуха, накопления и подачи сжатого воздуха в пневмодвигатель.

На фиг. 1 представлено схематичное изображение вида сбоку наземного транспортного средства, выполненного в виде легкового автомобиля. Автомобиль содержит скомпонованные соответствующим образом корпус 1, движитель, выполненный в виде колёс 2, пневмодвигатель 3, выполненный с возможностью передачи посредством трансмиссии (на чертеже не изображена) энергии на колёса 2. Автомобиль содержит также системы и механизмы управления, систему электрообеспечения, которые ввиду несущественности форм их выполнения в рамках данного изобретения и очевидности для специалистов в данной области техники на чертеже не представлены. В корпусе 1 в данной форме реализации предусмотрено четыре (спереди в зоне крыши и в зоне воздухозабора для радиатора и с двух сторон в задней нижней части корпуса) соответствующих средства 4 для забора воздуха из встречного потока 5, содержащих сквозное отверстие, снабжённое воздухонаправителем и/или воздухоулавливателем. Зоны выполнения в корпусе средств 4 для забора воздуха из встречного потока 5 соответствуют зонам установки турборотора и компрессора, которые для упрощения представлены в виде общих блоков турбинных компрессоров

6. В днище автомобиля размещено средство для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением, выполненное в виде кассетного накопителя 7, состоящего по меньшей мере из двух отдельных отсеков. Выполненными в сером цвете стрелками на чертеже показаны направления перемещения сжатого воздуха между основными устройствами и системами автомобиля. Стрелкой 8 обозначено направление движения автомобиля.

На фиг. 2 представлена принципиальная схема компрессии воздуха с использованием кинетической энергии встречного(ых) потока(ов) воздуха, накопления и подачи сжатого воздуха в пневмодвигатель (для одного из четырех блоков 6 турбинного компрессора). На чертеже, в частности, изображены встречный поток воздуха (обозначен стрелками 5), средство 4 для забора воздуха из встречного потока 5, содержащее сквозное отверстие, снабжённое воздухонаправителем и/или воздухоулавливателем, связанные между собой турборотор 9 и компрессор 10 из состава блока турбинного компрессора 6 по фиг. 1, кассетный накопитель 7, в данном примере содержащий 9 отдельных отсеков, каждый из которых выполнен с возможностью связи и с компрессором(ами) 10 и с редуктором 11, редуктор 11 и пневмодвигатель 3. Редуктор 11, в свою очередь, выполнен с возможностью связи, с одной стороны, с каждым компрессором 10 и каждым отсеком кассетного накопителя 7 и, с другой стороны, с пневмодвигателем 3. Пневмодвигатель, в свою очередь, посредством трансмиссии (на чертежах не изображена) приводит в движение движитель (в данном примере колёса 2 по фиг. 1) и соответственно обеспечивает перемещение всего транспортного средства в целом.

Как уже упоминалось выше, заявляемое транспортное средство может дополнительно содержать любое из перечисленных ниже блоков/устройств или любую их комбинацию:

электрокомпрессор, выполненный с возможностью связи с кассетным накопителем 7 и с возможностью работы от стационарной электросети;

связанный с турборотором генератор; аккумуляторную батарею;

привод с использованием по меньшей мере одного дополнительного вида энергии, выбранного из группы, включающей, по меньшей мере, электрическую энергию, гидравлическую энергию, энергию природного углеводородного топлива, энергию синтетического углеводородного топлива, солнечную энергию.

При этом и сам двигатель может быть в гибридном исполнении.

Заявляемое транспортное средство работает следующим образом.

Первая заправка автомобиля сжатым воздухом может осуществляться либо от внешних компрессоров, либо с использованием собственного электрокомпрессора, подключенного к электрической сети. Заправку осуществляют до заданного значения давления сжатого газа в отсеке(ах) кассетного накопителя 7. Уровень заправки, а также распределение сжатого воздуха в отсеках регулируется предпочтительно автоматически во избежание достижения в отсеке(ах) небезопасно высокого давления.

- 3 020546

В начале движения сжатый воздух из отсека(ов) кассетного накопителя 7 поступает в редуктор 11, который регулирует значение давления сжатого воздуха (рабочего тела) на входе в пневмодвигатель 3 на заданном для данного двигателя 3 уровне.

Альтернативно, в случае наличия в транспортном средстве дополнительного привода, отличного от пневмопривода, первичная зарядка может не осуществляться. В таких случаях привод в начале движения осуществляется от другого вида энергии (электрической, солнечной, углеводородного топлива и т.д.).

В общем случае, даже при неподвижном положении транспортного средства в целом и его корпуса 1 в частности, за счёт наличия естественных воздушных воздушные потоки будут направляться средствами 4 для забора воздуха в зону турбороторов 9, приводя их во вращение и тем самым запуская компрессор 10. При движении транспортного средства формируются встречные потоки 5 воздуха, которые усиливаются по мере возрастания скорости транспортного средства. Вращение турбороторов 9 ускоряется, обеспечивая режим работы соответствующих компрессоров 10, достаточный для компрессии воздуха до заданного значения давления. При этом в процессе движения транспортного средства при достаточном уровне компрессии воздуха он поступает непосредственно в редуктор 11, где давление воздуха, при необходимости, может снижаться и поддерживается на заданном уровне. Избыток сжатого воздуха может поступать в отсек(и) кассетного накопителя 7, выполненного в днище корпуса 1 транспортного средства, для хранения и дальнейшего использования. Сжатый воздух с заданным значением давления с выхода редуктора 11 поступает в пневмодвигатель 3, где его энергия преобразуется в форму, подходящую для привода движителя (в рассматриваемом примере колёс 2).

Таким образом, в процессе движения транспортного средства в направлении 8 за счёт преобразования кинетической энергии встречных потоков 5 воздуха не только расходуется энергия сжатого воздуха, но и параллельно происходит накопления её излишков в кассетном накопителе 7. Это происходит благодаря тому, что в заявляемом транспортном средстве, в отличие от транспортных средств с пневмоприводом из уровня техники, предусмотрено собственное бортовое средство формирования рабочего тела для пневмодвигателя в виде потока воздуха под заданным давлением, включающее связанные между собой турборотор(ы) и компрессор(ы), а также редуктор. Схема связей между этим средством формирования рабочего тела и средством для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением (кассетным наполнителем) позволяет осуществлять различные и оптимальные для каждого конкретного случая варианты коммутации источников сжатого воздуха и пневмодвигателя, обеспечивающие возможность бесперебойной работы пневмодвигателя на любой скорости при практически неограниченном запасе хода.

Особенности и преимущества работы заявляемого транспортного средства, описанные выше для наземного транспортного средства в виде легкового автомобиля, могут быть распространены на все другие виды транспортных средств, осуществляющих передвижение в воздушной среде, с той лишь разницей, что для каждого конкретного транспортного средства должны быть выбраны оптимальные количества средств для забора воздуха (соответственно, турбинных компрессоров 6) и места их расположения с учётом направлений встречных потоков воздуха, формы корпуса 1 транспортного средства и прочих условий.

Источники информации.

1. Интернет-журнал Экологические автомобили. Статья Лироб - автомобиль на сжатом воздухе от 3 октября 2010 г. [Электронный ресурс] - 27 января 2011. - Режим доступа: Ьйр://есосопсер1сат5.ги/2010/10/апроб.Ыт1.

2. Заявка КИ № 2006113219 А, опубл. 20.11.2007.

3. Патент РК № 2936461 В1, опубл. 02.04.2010.

4. Патент РК № 2838769 В1, опубл. 22.04.2005.

5. Заявка ЕР № 1121742 А1, опубл. 08.08.2001.

6. Заявка РСТ/РК2004/002929, опубл. 02.06.2005 за номером АО 2005/049968.

7. Виктор Слесарев. Статья СОПЕРНИК ВЕТРА. Электронная версия журнала За рулем, № 1, 2004 [Электронный ресурс] - 27 января 2011. - Режим доступа: 1Шр://\у\у\у./г.ги/а/10004/

8. Патент ЕА № 011063 В1, опубл. 30.12.2008.

Claims (6)

1. Транспортное средство с приводом от пневмодвигателя, выбранное из группы, включающей наземное транспортное средство, метрополитен, водное транспортное средство и воздушное транспортное средство, и содержащее скомпонованные соответствующим образом корпус транспортного средства, движитель, системы и механизмы управления, систему электрообеспечения, пневмодвигатель, выполненный с возможностью передачи посредством трансмиссии энергии на движитель и средство для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением, отличающееся тем, что дополнительно содержит средство формирования рабочего тела в виде потока воздуха под заданным давлением, включающее связанные между собой по меньшей мере один турборотор и по меньшей мере один компрессор, а также редуктор, при этом в корпусе в зоне размещения турборотора предусмотрено соответствующее средство для забора воздуха, содержащее, по меньшей мере, сквозное отверстие, компрессор связан со средством для непрерывно-циклического накопления и хранения сжатого воздуха и с редуктором, а редуктор связан со средством для непрерывно-циклического накопления и хранения воздуха под давлением и с пневмодвигателем.

2. Транспортное средство по п.1, отличающееся тем, что средство для хранения сжатого воздуха выполнено в виде кассетного накопителя, состоящего по меньшей мере из двух отдельных отсеков, расположенных в днище корпуса, каждый из которых выполнен с возможностью независимой связи с компрессором и с редуктором.

3. Транспортное средство по любому из пп.1 или 2, отличающееся тем, что средство для забора воздуха дополнительно снабжено воздухонаправителем и/или воздухоулавливателем.

4. Транспортное средство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что дополнительно снабжено по меньшей мере одним электрокомпрессором, связанным со средством для хранения сжатого воздуха и выполненным с возможностью функционирования от стационарной электросети.

5. Транспортное средство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что дополнительно снабжено генератором, связанным с турборотором, а система электрообеспечения выполнена с возможностью функционирования от указанного генератора и дополнительно снабжена аккумуляторной батареей.

6. Транспортное средство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что дополнительно снабжено приводом, функционирующим по меньшей мере на одном дополнительном виде энергии, выбранном из группы, включающей, по меньшей мере, электрическую энергию, гидравлическую энергию, энергию природного углеводородного топлива, энергию синтетического углеводородного топлива, солнечную энергию.