Пневмоэлектростанция скоростного транспортного средства
HIGH-SPEED VEHICLE AIR-POWERED POWER PLANT

Изобретение относится к бортовым устройствам транспортных средств (ТС), преобразующим кинетическую энергию ТС через встречный поток воздуха, в электрическую энергию, в порядке частичной рекуперации энергии.
Известны малогабаритные бортовые пневмоэлектростанции (ПЭС) автомобилей, поездов и др. высокоскоростных ТС, работающие на кинетической энергии встречного потока воздуха, порожденного высокоскоростным поступательным движением ТС в воздушной среде [1. RU 2480349, B60K 16/00, 27.04.2013; 2. RU 2158850, 10.11.2000; 3. RU 2237193, 27.09.2004; 4. RU 2403437. 10.11.2010; 5. US 168759, 25.09.1979; 6. US 4075545. 06.09.1976; 7. US 4314160, 02.02.1982; 8. DE 3500143, 07.10.1986; 9. GB 2063787, 10.06.1981 10. RU 115019 U1, F03D 3/00, 20.04.2012; 11. RU 128560 U1, B60L 11/00, 27.05.2013; 12. RU 2469892, B61D 43/00, B60L 11/18, B60L 8/00, H05H 1/00, 20.12.2012; 13. Резервы рекуперации энергии электромобиля / Леонид Потабачный // Изобретатель и рационализатор, №1, 2022. - С. 54-55].
С позиций заявляемого изобретения и его сравнительной оценки с перечисленными отобранными аналогами, нет необходимости в критической оценке каждого из них по отдельности, поскольку все они в данном случае не имеют индивидуальных существенных особенностей и могут рассматриваться как «обобщенный аналог», требующий обобщенной критики.
Общим принципиальным и вопиющим недостатком всех аналогов, якобы использующих «дармовую» кинетическую энергию встречного воздушного потока («искусственного ветра») для получения дополнительной электроэнергии на борту ТС, является отнюдь не экономия энергии ТС, а, с точностью до наоборот, - дополнительные ее, в большинстве использований, потери. Это объясняется ошибочным представлением авторов таких проектов о том, за счет чего (какого энергетического источника) пневмоэлектрогенератором (ПЭГ в составе ПЭС) вырабатывается электроэнергия. Тот факт, что патентные ведомства продолжают выдавать охранные документы на технические решения, противоречащие фундаментальным законам Природы, конкретно - Закону сохранения энергии в замкнутой системе (изучение такового входит в обязательную программу среднего образования в школах), можно объяснить разве что трактовкой о решении этим не задачи рекуперации, а задачи оперативного получения именно электрической энергии из неэлектрической (за счет топлива в силовой установке) в условиях отсутствия других преобразователей (отбора мощности с валов двигателя или трансмиссии, топливных элементов, и т.д.). Однако в описаниях речь идет именно о «рекуперации».
«Правильные» ВЭС для выработки электроэнергии потребляют кинетическую энергию действительно ветра («естественного ветра») как стороннего, восполняемого источника энергии (ветер порождается природными процессами в атмосфере под воздействием солнечного излучения, распределения влажности, атмосферного давления и др. причинами).
Транспортные же ПЭС, действительно преобразующие кинетическую энергию «искусственного ветра» с относительной «скоростью потока» (которая в «абсолютной», связанной с поверхностью Земли, системе координат, на самом деле - нулевая, а скорость имеет ТС. «Искусственный ветер» порождает само ТС, причем за счет энергозатрат на его высокоскоростное движение. А это не «дармовая» энергия, а энергия бортового источника ТС, например, энергия сжигания топлива в ДВС или электроэнергия электроаккумулятора на электромобиле.
В результате, работа по выработке электроэнергии ПЭС разгоняющегося или движущегося с «крейсерской» скоростью ТС осуществляется не за счет стороннего источника, а за счет энергетических затрат на движение ТС.
Соответственно, для формулировки Закона сохранения энергии в приложении к таким системам «рекуперации» замкнутую систему тел надлежит определять грамотно - включая туда всю замкнутую энергетическую цепочку: первичный источник - ТС - встречный поток воздуха (как вторичный источник для станции) - вторичная электроэнергия. Причем по всех звеньях этой цепочки будут потери, необратимо переходящие в теплоту, что обусловливает не положительный, а ничтожный, нулевой или вообще отрицательный эффект от такого использования транспортных ПЭС.
Иначе обстоит дело с режимом «затяжного» торможения, главным образом на относительно крутых спусках (движение под уклон, дифферент на носовую часть ТС существенен): здесь рекуперация целесообразна и технически (в обеспечение безопасности движения ТС) и энергетически (рекуперация).
Наиболее близким аналогом (прототипом) по назначению (области применения) и совокупности существенных признаков (последовательности действий) к заявляемому устройству является (принята) ПЭС скоростного ТС, содержащая установленную в передней части автомобиля или иного скоростного ТС ПЭС с воздухозаборником и электрогенератором, работающим на встречном потоке воздуха при движении ТС, и регулируемое устройство автоматического открытия-закрытия воздухозаборника заслонкой с приводом [14. RU 171705 U1, МПК F03D 5/06, F03D 9/25, F03D 9/32, 13.06.2017].
В прототипе привод заслонки («подвижной пластины») устройства автоматического открытия-закрытия воздухозаборника связан с генератором электромагнитных импульсов (в виде постоянного магнита, размещенного над катушкой), с возможностью достаточно высокочастотного, регулярного открытия-закрытия воздухозаборника. Независимо от положения ТС в пространстве, поскольку назначение такого движения заслонки - преобразование воздушного («ветрового») потока в пульсирующий и порционный набор воздуха в камеру генератора. Ветропривод включает в себя эксцентриковый механизм и рычажную систему, при этом заслонка соединена с эксцентриковым механизмом, который в свою очередь соединен с карданным валом транспортного средства, при связи с рычажной системой, которая соединена с постоянным магнитом (подробнее см. прототип [14]).
Однако устройству-прототипу свойственны уже описанные выше - в критике аналогов, недостатки (при безусловной полезности предложений по конструктивному совершенствованию генераторов как таковых). Работа ПЭС на всех режимах и во всех условиях скоростного движения ТС (а противное не оговорено ни в прототипе, ни в других аналогах) определяет низкую, вплоть до отрицательной, эффективность ПЭС в составе ТС, даже при положительном эффекте (эффективной и количественно значимой рекуперации) на участках торможения ТС.
Все это обусловливает недостаточно широкие технико-эксплуатационные характеристики (ТЭХ) прототипа.
При этом еще раз акцентируем внимание на том, что в утверждении неэффективности известных аналогов (а значит и неоправданной затратности на организацию таких ПЭС) речь идет не столько о конструктивных признаках устройства «ПЭС ТС», сколько о местах установки роторов, о способе использования ПЭС на всем эксплуатационном этапе «жизненного» цикла.
Кроме того, к недостаткам прототипа можно отнести однофункциональность заслонки (открытие-закрытие), что также относится к ТЭХ, влияя на формирование эффективности бортовой ПЭС.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение (иначе говоря, проблемой, на решение которой направлено изобретение), является создание ПЭС с улучшенными ТЭХ. Такой ПЭС, которая позволила бы эффективнее ее использовать, повысив КПД за счет исключения доли энергетических потерь на участках пути без «затяжного» торможения, а также эффективнее тормозить на «тормозных» участках (в движении под уклон, в компенсацию опасно ускоряющей «скатывающей» составляющей силы тяжести ТС и в дополнение к сопротивлению воздушного потока при взаимодействии с лопастями роторов генераторов, «попутно» (дополнительно) увеличивая расход воздуха через проточную часть ПЭГ в составе ПЭС за счет второй, дополнительной функции заслонки - как направляющей встречного воздушного потока в открытом ее положении.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что пневмоэлектростанция скоростного транспортного средства, установленная в передней части автомобиля или иного транспортного средства, содержит воздухозаборник и электрогенератор, работающий на встречном потоке воздуха при движении транспортного средства, и регулируемое устройство автоматического открытия-закрытия воздухозаборника заслонкой с ее приводом. Привод заслонки устройства автоматического открытия-закрытия воздухозаборника связан с датчиком дифферента транспортного средства на его переднюю часть и таймером продолжительности сигнала от указанного датчика о наличии указанного дифферента с задаваемым минимальным пороговым значением в процессе движения транспортного средства под уклон, с возможностью открытия воздухозаборника при дифференте пороговом и более, и закрытия воздухозаборника при остальных значениях дифферента
На решение обозначенной выше проблемы (задачи) направлены также дополнительные совокупности конструктивных признаков устройства, на основе перечисленных основных совокупностей признаков, а именно:
- заслонка и ее привод могут быть выполнены с возможностью, в открытом ее положении, направления в воздухозаборник электрогенератора пневмоэлектростанции дополнительного потока встречного воздуха при движении транспортного средства, за счет угла раскрытия заслонки и профиля внутренней ее поверхности (это дополнительно усиливает технический результат, повышая эффективность ПЭС за счет большей, при прочих равных условиях, производительности ПЭГ);
- упомянутый датчик дифферента может быть выполнен в виде инклинометра (это - проверенное в различных областях техники инженерное решение, гарантирующее высокую надежность и точность измерения при относительной простоте конструкции).
Среди массива известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат, что обусловливает наличие у заявляемого устройства квалификационного признака «мировой уровень новизны».
Совокупность отличительных существенных признаков заявляемого устройства не является простой суммой известных технических результатов применения порознь известных компонентов системы. Имеет место «эмерджентность» или «сверхэффект» (в патентоведческом значении этого термина), который не является очевидным для специалиста из достигнутого уровня техники (разумеется, до рассмотрения заявляемого технического решения). С указанным выше спектром ТЭХ. Это убедительно демонстрирует изобретательский уровень разработки как второй из триады квалификационных признаков изобретения.
Третий квалификационный признак, - промышленная применимость, - также неоспорим и вытекает, прежде всего, из того же, пусть и ограниченного, но все же опыта создания (разработки и внедрения) подобных технологически изделий в России и за рубежом.
Заявляемое изобретение проиллюстрировано фигурами 1 и 2.
п
На фиг. 1 показана схема бортовой ПЭС при открытой заслонке (рабочий режим), вид на воздухозаборник сбоку, где V - скорость (вектор скорости) транспортного средства (ТС), м/с; ϕ - дифферент на переднюю (носовую) часть ТС, град.; ϕ - пороговое значение дифферента на переднюю (носовую) часть ТС, град.; α - угол открытия заслонки воздухозаборника, град.; и где позициями обозначены: 1 - ТС; 2 - пневмоэлектростанция (бортовая); 3 - воздухозаборник; 4 - электрогенератор(ы); 5 - встречный (фронтальный) поток воздуха, обусловленный движением ТС в условно неподвижной атмосфере; 6 - регулируемое устройство открытия-закрытия воздухозаборника; 7 - подвижная заслонка воздухозаборника; 8 - привод заслонка; 8а - электродвигатель-редуктор привода заслонки; 9 - датчик дифферента ТС относительно, по крайней мере, передней его части; 10 - регулируемый таймер; 11 - основной встречный поток воздуха в воздухозаборник; 12 - дополнительный (отраженный заслонкой в открытом ее состоянии) встречный поток воздуха в воздухозаборник; 13 - внутренняя (тыльная) поверхность заслонки; 14 - система (блок) управления ПЭС.
На фиг. 2 - схема использования заявляемого устройства, где справа представлена схема эксплуатации ТС 1 с ПЭС 2 на подъеме (заслонка 7 закрыта, ПЭС не работает); в центре представлена схема эксплуатации ТС 1 с ПЭС 2 на горизонтальной опорной поверхности (заслонка 7 закрыта, ПЭС не работает); слева представлена схема эксплуатации ТС 1 с ПЭС 2 на спуске (заслонка 7 открыта, ПЭС работает).
Пневмоэлектростанция скоростного транспортного средства (ТС) содержит установленную в передней (носовой) части автомобиля или иного скоростного ТС 1 пневмоэлектростанцию (ПЭС) 2 с воздухозаборником 3 и электрогенератором (ЭГ) 4, работающим за счет встречного потока 5 воздуха при движении ТС 1.
Предусмотрено также регулируемое устройство 6 автоматического открытия-закрытия воздухозаборника 3 заслонкой 7 с ее приводом 8.
п
п
Привод 8 заслонки 7 устройства 6 автоматического открытия-закрытия воздухозаборника 3 связан с датчиком 9 дифферента (ϕ) ТС 1 на его переднюю (носовую) часть (то есть, отрицательный угол атаки ϕ) и таймер 10 продолжительности сигнала от датчика 9 о наличии дифферента ϕ с задаваемым, минимальным пороговым значением ϕ в процессе движения ТС 1. При этом предусмотрена возможность открытия воздухозаборника 3 при дифференте пороговом и выше: ϕ>ϕ, и закрытия воздухозаборника 3 при остальных значениях дифферента ϕ.
Заслонка 7 и ее привод 8 могут быть выполнены (как рекомендация) с возможностью, в открытом ее положении (показан пример открытия вверх, в том числе для дополнительного сопротивления воздуха ради торможения плюс для симметрии), направления в воздухозаборник 3 ЭГ 4 дополнительного, к основному потоку 11, потока 12 встречного (фронтального) воздушного потока 5 при движении ТС 1, за счет угла α раскрытия заслонки 7 и профиля внутренней (тыльной) ее поверхности 13. Заслонка 7 в таком положении выполняет вторую свою функцию - отражателя (направляющей), формирующего поток 12.
Возможны другие частные примеры выполнения возухозаборника 3 - с двумя заслонками слева-справа, с возможностью увеличения дополнительного потока 12, и т.д.).
Привод 8 выполнен, например, с (в виде) малогабаритным(ого) электродвигателем(я)-редуктором(а) 8а. Если заслонки две - слева и справа, можно предусмотеть их индивидуальные, одинаковые приводы.
Датчик 9 может быть выполнен в виде инклинометра, преимущественно одноосевого, например, на основе маятникового чувствительного элемента емкостного типа из кварцевого стекла, или электронного типа. Это - проверенные в различных областях техники инженерные решения (принципиальное устройство датчика см., например, в источнике [15. Инклинометры. - URL: https://inclinometr.ru/каталог-продукции/инклинометры/]).
Заявляемая ПЭС работает следующим образом.
При низкоскоростном движении ТС 1 в любых дорожных условиях (здесь и далее - при условии отсутствия «естественного» ветра, во всяком случае, фронтального по отношении к ТС 1) его кинетическая энергия, пропорциональная примерно (менее) кубической зависимости от скорости V ТС 1, мала для эффективной работы ПЭС 2. Соответственно, заслонка 7 закрыта (это ее исходное состояние: α=0), слабый воздушный поток обтекает ее наружную поверхность наряду с соседними участками лобовой поверхности, оказывая относительно небольшое сопротивление воздуха движению ТС 1.
При скоростном движении ТС 1 при (одновременно) его дифференте на переднюю (носовую) часть менее заданного (установленного) порогового значения на существенно возросшую скорость V встречного (фронтального) воздушного потока 13, а значит - пропорциональности его кинетической энергии теперь уже скорости V в третьей степени, положение заслонки остается неизменным - она полностью закрывает воздухозаборник 3.
ПЭС 2 сознательно отключена от работы (выработки электрической энергии) как на горизонтальном пути, так и при малых значениях дифферента ϕ на переднюю часть ТС 1, и тем более при любом возможном дифференте ϕ на заднюю (кормовую) часть ТС 1 (иначе говоря, при положительных углах атаки ТС 1). Во избежание дополнительных потерь на сопротивление воздуха (в том числе в ЭГ 4) и соответствующего уменьшения КПД ТС 1.
Здесь не рассматривается случай, когда ПЭС 2 принудительно включаю в работу в этих эксплуатационных условиях по другим соображениям - при возникающем критическом дефиците запаса электроэнергии на борту ТС 1 (садится аккумулятор и т.п. внеплановые ситуации).
п
п
При скоростном движении ТС 1 при (одновременно) его длительном (согласно отрегулированной выставке в таймере 10 минимально необходимой для автоматического срабатывания устройства 6 с выдачей команды на открытие заслонки 7 воздухозаборника 3) дифференте на переднюю (носовую) часть от заданного (установленного) порогового значения ϕ, и более (упомянутое в описании заявляемого устройства условие ϕ>ϕ), ПЭС 2 автоматически включается в работу согласно ее назначению. Происходит следующее.
п
п
Сигнал с датчика 9 дифферента о достижении порогового значения ϕ угла наклона ТС 1 под уклон пути запускает таймер 10 и, при достижении заданной минимальной продолжительности условия ϕ>ϕ, автоматически выдается команда (через систему управления 14, которая «тривиальна» для разработки специалистом(ми), на включение привода 8 заслонки 7 на ее поворот. Выполняет указанный поворот конкретно электродвигатель-редуктор 8а в составе привода 8 (или в его качестве). Заслонка 7 поворачивается, открывая воздухозаборник 3 навстречу воздушному потоку 5. Поворот заслонки 7 заканчивается при заданном (проектном) угле α ее открытия (в пределах α=120°): она автоматически останавливается и жестко фиксируется, например самим приводом 8 (самоторможением в электродвигателе-редукторе 8а, например). При этом внутренняя (тыльная) поверхность 13 заслонки 7 становится внешней.
В открывшийся таким образом воздухозаборник 3 устремляются основной встречный поток 11 плюс дополнительный, отраженный от заслонки 7 поток 12, в соответствии с углом α и оптимизированным профилем поверхности 13. Суммарный расход воздуха, с учетом его скоростного напора, через воздухозаборник 3 приводит в действие ЭГ 4, в результате чего ЭГ 4 и ПЭС 2 в целом вырабатывает электроэнергию, которую направляют в накопитель энергии и/или бортовым потребителям электроэнергии.
При этом сопротивление воздуха дополнительно увеличивается из-за работы ПЭС 2 (конкретно - в зависимости от используемого типа ЭГ 4 (как в прототипе, или роторного типа - с турбинкой, крыльчаткой и т.д.). Но это содействует «полезному» (плановому) торможению ТС 1 на спуске для противодействия «скатывающей» составляющей силы тяжести ТС 1, особенно на крутом и продолжительном спуске, «бережет» двигатель и специализированную тормозную систему ТС 1, обусловливает существенную рекуперацию энергии встречного потока воздуха.
Описанную работу заявляемого устройства можно рассматривать как способ эксплуатации (использования) описанного устройства, а само устройство - как устройство для реализации такого способа.
Таким образом, использование изобретения решает поставленную задачу улучшения ТЭХ ПЭС, благодаря более эффективному ее использованию, повышению КПД за счет исключения доли энергетических потерь на участках пути без длительного («затяжного») торможения, а также эффективнее тормозить на «тормозных» участках (в движении под уклон, в компенсацию опасно ускоряющей «скатывающей» составляющей силы тяжести ТС и в дополнение к сопротивлению воздушного потока при физических процессах в ЭГ, «попутно» (дополнительно) увеличивая расход воздуха через проточную часть ПЭГ в составе ПЭС (введение второй, дополнительной функции заслонки - как направляющей встречного потока воздуха в открытом ее положении).