Автономная система вентиляции транспортного средства
AUTONOMOUS VEHICLE VENTILATION SYSTEM

Изобретение относится к области транспорта и может быть использовано для дополнительной вентиляции салонов транспортных средств, особенно в условиях невозможности или нежелания обеспечить достаточный воздухообмен с наружной средой с использованием основной системы вентиляции, будь то по причине загрязнения среды, ее работы в замкнутом цикле, либо с целью экономии энергии.
В патенте Китая 103287382, 2013-09-11, B60R 22/00 описано устройство для вентиляции ремня безопасности, который с этой целью выполняется с вентиляционными камерами и воздуховодами, выходящими на сторону, обращенную к водителю. При этом структура, а значит и прочность ремня безопасности, сохраняются.
Однако речь в данном случае идет лишь о приточной вентиляции того или иного объема, места. Это означает, что известное устройство неэкономично (для удаления продуктов выхода нужно подать значительный объем воздуха) и неприменимо для вентиляции салона транспортного средства в целом.
В патенте США 2015140915, 2015-05-21, B60N 2/56 описана дополнительная вентиляционная система салона транспортного средства, в которой очищенный воздух в заднюю часть салона подается с помощью воздуховода, размещенного в спинке водительского кресла и вентилятора, расположенного на задней панели этого кресла.
Такое устройство имеет два существенных недостатка: для достижения низкой концентрации продуктов выдоха, как и в вышеописанном случае, в салон нужно подать значительный объем воздуха снаружи, из-за чего устройство затрачивает значительную энергию, оказываясь неэкономичным, а кроме того, это далеко не всегда оправдано и вообще возможно - для этого требуется наличие системы кондиционирования (вентиляции и подогрева или охлаждения) с достаточной пропускной способностью и достаточным быстродействием (если речь идет о переходных режимах), наличие чистого воздуха снаружи или мощные фильтрационные средства.
Техническим результатом, ожидаемым от использования изобретения, является обеспечение большей степени автономности системы вентиляции в целом за счет повышения эффективности вентиляции там, где отсутствует возможность обеспечить достаточный приток чистого воздуха, и соответственно снижение энергозатрат там, где такая возможность имеется. Одновременно увеличивается степень изоляции транспортного средства, что снижает влияние на людей внешних загрязнителей. Дополнительным эффектом является улучшение условий для очистки входящего воздуха и увеличение долговечности фильтров благодаря общему снижению объема необходимого притока.
Указанный результат достигается тем, что в известной системе вентиляции транспортного средства, содержащей средства притока чистого воздуха и средства отвода воздуха, последние выполнены в виде средств отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, причем их воздухозаборные элементы расположены в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха.
Кроме того, средства притока чистого воздуха могут быть расположены преимущественно выше органов дыхания пассажиров и направлены к ним сзади, и/или сверху, и/или сверху под острым углом к вертикали, а средства отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, размещены ниже органов дыхания пассажиров.
При этом средства притока чистого воздуха могут быть выполнены с фильтром микрочастиц и/или химических загрязнений воздуха.
В частности, воздухозаборные элементы средств отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть расположены на ремне безопасности, и/или руле или накладке на руль, и/или передней части сиденья, и/или приборной панели транспортного средства и соединяются с соответствующими средствами откачки системой воздуховодов.
Далее, воздухозаборные элементы средств отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть расположены на спинке кресла, а также декоративных предметах обстановки или держателях в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха и соединяться с соответствующими средствами откачки системой воздуховодов.
При этом указанная система воздуховодов может быть выполнена с матричной и/или периодической структурой.
Далее, средства притока чистого воздуха могут быть размещены на потолке салона транспортного средства или в межоконных проемах и направлены преимущественно сверху вниз или сбоку.
Кроме того, зона распространения потока выдыхаемого воздуха может быть образована средствами формирования потока, расположенными в зоне непосредственного распространения потока выдыхаемого воздуха.
При этом средства формирования потока могут быть выполнены в виде элементов средств притока чистого воздуха или средств рециркуляции уже отведенного или окружающего воздуха.
Кроме того, воздухозаборные элементы могут быть расположены в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха, относящейся к носовому и/или ротовому типу дыхания.
Далее, средства отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть выполнены с возможностью периодического срабатывания.
При этом средства отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, могут быть выполнены управляемыми, а система вентиляции снабжена сенсором дыхания, подключенным к входу управления упомянутых средств.
Целесообразно также сенсор дыхания выполнить в виде датчика углекислого газа или паров воды, пирометра или видеокамеры с процессором обработки изображений.
Допускается также сенсор дыхания выполнить в виде измерителя частоты дыхания.
Целесообразно также выполнить средства управления средствами притока воздуха в салон транспортного средства с возможностью приема, учета и передачи информации о составе наружного воздуха аналогичным узлам других транспортных средств.
При этом система вентиляции может быть снабжена средствами распознавания состояния пассажиров по сигналам соответствующего сенсорного элемента, а также средствами реагирования на состояния, представляющие опасность.
Кроме того, средства притока воздуха в салон транспортного средства могут быть выполнены с впускным отверстием и/или каналом для наружного воздуха, по меньшей мере, на 120 см выше уровня дорожного покрытия, в частности в антенне, телескопической трубе, на штанге или накладке, размещенных на крыше транспортного средства.
При этом средства притока воздуха в салон транспортного средства могут быть выполнены с впускным отверстием для наружного воздуха, расположенным на подвижном элементе, выполненном с возможностью регулировки положения в зависимости от состава наружного воздуха и/или скорости транспортного средства.
Целесообразно также средства притока воздуха в салон транспортного средства выполнить с возможностью резервирования воздуха, или кислорода, или азотно-кислородной смеси, а также пополнения и дозированного расхода из емкости для резервирования воздуха, или кислорода, или азотно-кислородной смеси.
Кроме того, система вентиляции может быть выполнена с управляющим входом автоматического включения по сигналу анализатора состава наружного воздуха, освещенности, по сигналу акселерометра, видеокамеры или спидометра.
И, наконец, по меньшей мере два из следующих элементов: средства включения и/или выключения системы вентиляции в целом, средства управления средствами отвода воздуха из салона транспортного средства, средства управления средствами притока воздуха в салон транспортного средства, средства учета ритма дыхания пассажиров и/или задержки распространения выдыхаемой и вдыхаемой пассажирами порции воздуха, средства управления элементами формирования и последующего удаления выдыхаемой пассажирами струи воздуха, средства выбора и анализа информации от группы датчиков, средства фильтрации выходной информации группы датчиков, средства обработки информации от анализатора состава наружного воздуха и средства распознавания состояния пассажиров по сигналам сенсорного элемента, объединены в контроллер, управляющий работой системы вентиляции, или являются той частью контроллера, управляющего работой климатической установки транспортного средства в целом, которая управляет работой системы вентиляции.
При этом контроллер может быть выполнен с возможностью выдачи на основании показаний анализатора состава наружного воздуха или иной внешней информации о загрязнениях наружной среды рекомендаций водителю транспортного средства об изменении дистанции или маршрута.
С этой целью используются известные средства контроля состава наружного воздуха (относящиеся к упомянутому выше входному анализатору состава наружного воздуха), внешние данные о направлении ветра, температуре и т.п., через соответствующий интерфейс поступающие в контроллер, который и принимает решение о выдаче соответствующих рекомендаций водителю, например, голосовым сообщением, с использованием навигационной системы, дисплея и т.п. В результате упомянутая выше связь анализатора состава наружного воздуха со средствами управления средствами притока воздуха в салон транспортного средства осуществляется через контроллер. На него же может поступать информация о текущей скорости (ее производной, изменении оборотов двигателя и пр.) от других систем транспортного средства, на основании чего контроллером принимается решение о положении (например, высоте) элементов конструкции воздухозабора (по закону обратной пропорциональности высоты к значению скорости, либо к его квадрату, например).
Выполнение средств притока воздуха в салон транспортного средства с впускным отверстием на подвижном элементе означает управление положением элемента конструкции с впускным отверстием по вертикали или горизонтали с целью забора наиболее чистого воздуха, для чего в заборном тракте или даже в салоне, ближе к соплам, подающим воздух, могут быть установлен анализатор состава наружного воздуха, контролирующий качество забортного воздуха и не допускающий поступления загрязнений. Во избежание повреждения вынесенных на удаление (высоту) конструктивных элементов воздухозабора такое удаление может также регулироваться в зависимости от скорости транспортного средства.
Дополнительной очистке воздуха способствует выполнение средств притока с фильтром микрочастиц и/или химических загрязнений, для чего упомянутые фильтры размещают в воздуховодах средств притока. Это становится возможным благодаря небольшим объемам притока в предложении по сравнению с традиционными системами вентиляции и кондиционирования.
Охарактеризованное выше взаимное расположение средств притока «выше», а средств отвода «ниже» не следует понимать как обязательную их соосность. Приток и забор не обязательно должны совпадать по направлению - между ними может быть также острый угол и/или их оси могут быть смещены. При этом говоря «выше» или «ниже», мы имеем в виду некое стандартное размещение пассажира или водителя с усредненными антропометрическими параметрами на сиденьи транспортного средства. Преимущественное же расположение означает, что значительная, большая часть потока от средств притока к органам дыхания и средствам отвода воздуха направлена сверху вниз и/или сзади вперед, что существенно отличается от традиционных систем вентиляции наземных транспортных средств.
2
Выполнение сенсора дыхания в виде датчика углекислого газа или паров воды позволяет зарегистрировать выдох по возрастанию концентрации CO или паров воды в месте расположения датчика. Применение пирометра позволяет дистанционно определять температуру по инфракрасному излучению, благодаря чему можно регистрировать и факт и даже направление выдоха, видеокамера же при наличии процессора обработки изображения позволяет увидеть положение и направление органов дыхания, а также его временные параметры по перемещениям поверхностей, частей тела и проч.
2
2
В условиях городских пробок представляется целесообразным длительное движение автомобиля в режиме, близком к изолированной от внешней среды системе (т.е. почти без притока внешнего воздуха). Несмотря на то, что запаса кислорода в салоне автомобиля для одного человека может хватить более чем на час, эффект духоты, а затем и отравления проявляется гораздо раньше (через 5-10 мин) из-за недопустимого повышения концентрации CO. Происходит это ввиду того, что в окружающем воздухе концентрация CO составляет 0,04…0,1%, а вредным для внимания и работоспособности (что важно для водителя) является уже значение 0,2%, тогда как выдыхаемый человеком воздух содержит до 4% углекислого газа. В случае автомобиля ситуация усугубляется еще и тем, что выдох содержит также много водяного пара, который, конденсируясь на стеклах, ухудшает видимость.
2
Предлагаемая система разработана для улучшения экологии внутри транспортного средства при длительном стоянии в пробке, а также при необходимости преодоления на транспортном средстве зон задымления, химического загрязнения и пр. Благодаря применению предлагаемой дополнительной системы вентиляции в несколько раз увеличивается допустимое время работы в режиме квазизамкнутой системы (внутренней циркуляции) без риска отравления продуктами выдоха, в частности CO.
2
В условиях современного мегаполиса характерное время перманентного нахождения автомобиля в пробке, т.е. в условиях загазованности и превышения ПДК по целому ряду отравляющих газов, увеличилось с единиц до десятков минут. При этом независимо от класса автомобиля, при использовании режима внутренней циркуляции все находятся в одинаковых условиях (с точностью до геометрических размеров и высоты транспортного средства) и невозможно обеспечить преференции для детей или, например, людей, страдающих заболеваниями органов дыхания. Это делает необходимым использование специальных средств и систем, задачей которых должно быть сохранение на максимально возможное время внутреннего незагрязненного объема воздуха (в салоне) максимально чистым и свободным от продуктов выдоха, а внешний приток при его необходимости - максимально отфильтрованным и очищенным от внешних загрязнителей. Стандартная схема системы вентиляции, применяемая, например, в легковых автомобилях, не удовлетворяет указанным требованиям. Переход в режим внутренней циркуляции в этих системах уже через несколько минут вызывает повышение содержания CO до 2000 ppm и более. Это помимо гигиенических проблем вреда здоровью (особенно при таких заболеваниях, как диабет в начальных стадиях, сосудистые и дыхательные нарушения) является источником опасности на дороге, поскольку экспериментально доказано, что у водителя в таких условиях снижается степень концентрации внимания и резко увеличивается утомляемость, а это резко увеличивает вероятность негативных сценариев.
Высота транспортного средства определяет геометрическую высоту забора воздуха от уровня поверхности, и это происходит обычно на уровне капота, то есть 60-90 см от дороги, где уровень концентрации большинства загрязнителей максимален (на высоте 2 м он спадает в 3-5 раз). При этом, поскольку стоящие на дороге автомобили, а также окружающие здания блокируют перемещение воздушных масс, при отсутствии ветра возникает стратификация, выражающаяся в распределении газов в зависимости от их плотности. При этом азот и кислород с меньшими массами вытесняются вверх (особенно это сказывается в жарком климате, когда уменьшается разница температур между выхлопом и средой).
Недооцененным также остается фактор влияния автомобильных дорог, как мест с катастрофической экологией, на проводящих там длительное время людей, притом как на их дееспособность в конкретный момент времени под влиянием воздействия ядов и загрязнителей, так и на общее состояние здоровья и продолжительность жизни.
Как отмечается в документах комиссии ООН по загрязнениям, основная причина такого положения дел заключается в недостатках действующей концепции создания «экологически чистого» транспорта, в которой отсутствуют комплексные экологические требования к конструкции автомобилей по системам вентиляции, отопления салонов, кондиционерам и салонным фильтрам.
Экспертами отмечается, что сверхнормативно загрязненный воздух в салонах почти не имеет запаха, цвета, а наиболее опасная пыль тоньше 2-3 мкм, не очищаемая салонными фильтрами, не видна глазом. С учетом изложенного можно констатировать, что при кажущихся комфортных условиях по температуре, влажности, шуму в салонах современных транспортных средствах с системами кондиционирования, при наличии красивого интерьера, различного рода удобств, электронного и компьютерного обеспечения, интеллектуальных систем помощи водителю, в салонах создается иллюзия полного экологического благополучия. Однако загрязнение воздуха в салонах транспортных средств часто бывает опасным для жизни, влияя на утомляемость, внимание водителя, вызывая у него спутанность сознания и даже сонливость, что может быть одной из причин увеличивающихся дорожно-транспортных происшествий.
Предлагаемое устройство дополнительной, избирательной вентиляции салона автомобиля призвано хотя бы частично решить эти проблемы. Оно основано на отборе только (преимущественно) локальной порции выдыхаемой струи (направленной из носовой и ротовой полости пассажира или водителя, далее - пассажира) с последующей заменой именно этого воздуха (порцией взятой извне или полученной в результате регенерации). Такая селективность многократно снижает требования к необходимым объемам приточной вентиляции или производительности устройств регенерации и очистки (НЕРА и угольные фильтры, кислородные генераторы и т.п.).
Работать такая система может как непрерывно, так и по команде, в зависимости от внешних условий. Причем наличие внешнего загрязнения среды может определяться как непосредственными измерениями концентрации загрязнителей, так и ситуативно, используя критерии, обычно сопутствующие местам и зонам загрязнений. Так, система вентиляции может автоматически включаться как по сигналу анализатора состава наружного воздуха, то есть при увеличении концентрации вредных примесей в окружающей среде, так и, например, при резком снижении освещенности в дневное время, свидетельствующем о попадании в тоннель или «каньон» узкой улицы, или по сигналу акселерометра, отмечающего старт со светофора, когда вместе с данным транспортным средством ускоряются впереди идущие и загрязнение от двигателей становится максимальным, а также по данным спидометра о снижении скорости и попадании в пробку, по данным видеокамеры о задымлении или, например, попадании в зону перекрестка со светофорами и т.д. и т.п.
Преимущественное удаление, отвод выдыхаемой пассажирами порции воздуха означает, что систему настраивают на удаление именно выдыхаемого воздуха, что объем удаляемого воздуха стараются приблизить к объему выдоха. Тем не менее, не следует понимать это выражение как удаление выдыхаемого воздуха полностью и при каждом выдохе или невозможность удалить несколько больший объем. Иными словами, в предложенное техническое решение включаются случаи настройки системы вентиляции на удаление стандартного объема, равного усредненному объему выдоха, либо удаление объема, несколько превышающего или несколько меньшего среднего объема выдоха или определенного датчиками объема или полученного расчетным путем или иным образом определенного как выдыхаемая пассажиром или пассажирами порция воздуха. При этом следует отметить, что создание даже небольшого избыточного давления улучшает изоляцию негерметичной системы и уменьшает влияние внешних загрязнителей.
Важно подчеркнуть, что предлагаемая система вентиляции может заменять удаленный из салона воздух наружным и/или регенерированным в любой пропорции, определяемой упомянутыми средствами управления, которые в этой части выполнены так же, как и в известных системах вентиляции (климатических установках) транспортных средств.
Как отмечено выше, система может иметь емкость для резервного объема очищенного воздуха или кислорода. Средства управления средствами притока воздуха в салон осуществляют пополнение запаса, хранящегося в емкости (используя, разумеется, соответствующую систему клапанов) при хорошем качестве наружного воздуха и использование запаса при плохом, а также выработку рекомендаций по прокладке маршрута, если запас необходимо срочно пополнить.
Говоря о выполнении средств управления средствами притока воздуха в салон транспортного средства с возможностью приема, учета и передачи информации о составе наружного воздуха аналогичным узлам других транспортных средств, мы имеем в виду обмен информацией о составе наружного воздуха с другими транспортными средствами с целью учета данной информации при выработке контроллером, который, как правило, и составляет с соответствующими средствами интерфейса упомянутые средства управления, рекомендаций водителю об оптимальной дистанции, оптимальном маршруте, формировании управляющих сигналов на средства притока воздуха в салон и т.п.
2
Таким образом, сущность предложения заключается в том, что в известной системе вентиляции со средствами подачи (притока), подведения воздуха и средствами его забора, отведения, удаления, последние вынесены, пространственно расположены в зонах салона транспортного средства, куда распространяется или отводится поток выдыхаемого пассажирами или водителем транспортного средства воздуха, обогащенного продуктами выдоха. В результате из кабины или салона транспортного средства, а если точнее, то из области пространства или зоны распространения выдоха, отводится воздух, загрязненный продуктами жизнедеятельности (прежде всего CO), отводится до того, как он смешался с остальным воздухом в салоне, так что практически не возникает необходимости заменять его весь (как делает это основная система вентиляции и кондиционирования), а только ограниченный объем забранного воздуха из указанной зоны, чем и обеспечивается снижение энергозатрат, повышение комфорта, эффективности, автономность работы.
В существующих решениях вентиляционных систем внутренний забор воздуха (для выведения из системы) делается глобальным (общим), а приток свежего воздуха, наоборот, индивидуальным и максимально близким к потребителю. Так выполнено большинство систем, если речь не идет о масках для дыхания и других видах дыхательных аппаратов со специальными путями отвода продуктов выдоха. В предложении, наоборот, приток может быть любым, в том числе и естественным, а вот отведение осуществляется индивидуально.
В результате система вентиляции характеризуется пониженным притоком с сохранением и даже увеличением комфортности для человека, что важно как в условиях внешних загрязнений, так и при использовании ограниченных запасов воздуха для увеличения времени квазиавтономности кабины, салона, в том числе, при использовании режима внутренней рециркуляции.
2
2
2
Забор продуктов выдоха происходит в предложении из пространственной или геометрической зоны непосредственного распространения продуктов выдоха, а поскольку для человека с открытым лицом и без маски характерно два типа дыхания, то следует выделить две зоны с максимальной концентрацией продуктов выдоха (к которым относим CO, пары HO, азотно-кислородную смесь с пониженным до 16% содержанием O и другие компоненты выдоха):
а) для интервалов времени носового дыхания для человека с незапрокинутой головой эта зона расположена в направлении от носа вдоль туловища (вертикально и под небольшим углом), она простирается от подбородка до живота и бедер (от уровня подбородка вниз на 75-80 см) и по ширине 50 см (по 25 см в стороны от оси) - в виде прямоугольника или конуса;
б) для человека в процессе разговора и ротового дыхания указанная зона расположена спереди, перед нижней частью лица и шеей и простирается на такое же расстояние.
Следует отметить, что точная величина этого расстояния, как и упомянутого выше угла, не имеет принципиального значения. Эффект достигается за счет того, что отводятся продукты выдоха, попадающие с потоком выдыхаемого воздуха в сектор пространства перед органами дыхания каждого отдельного человека, за счет того, что присутствует приточная составляющая вентиляции, за счет чего в салоне создается некоторое избыточное давление, так что выведение продуктов жизнедеятельности происходит самопроизвольно или средствами, расположенными стационарно. Если характер вентиляции заменяется на вытяжной, причем такой, при котором забор загрязненного воздуха происходит в точках размещения людей, куда попадает выдыхаемый ими воздух, то приток, напротив, может быть как индивидуальным, так и общим, стационарным. Например, в простейшем случае применения системы в недорогом легковом автомобиле устройством притока может быть отверстие в крыше, оснащенное защитным козырьком и по возможности фильтром и вентилятором. Тогда как воздухозабор должен быть представлен гораздо более сложной конструкцией, включающей индивидуальные элементы на посадочных местах и соединяющую их систему воздуховодов.
Далее отметим еще две особенности, указанные выше. Во-первых, забор порций выдыхаемого воздуха может осуществляться через воздухозаборные элементы (отверстия или средства отвода, формирования потока, ведущие к отверстиям, жалюзи, декоративные элементы и т.п.), расположенные перед органами дыхания водителя или пассажира на торпеде, приборной доске, на руле или на ремне безопасности, в подлокотниках или сидении кресла - любом элементе конструкции, предназначенном в обычных условиях для иных целей. Это становится возможным благодаря тому, что в отличие от известных решений отбираются незначительные объемы воздуха (постоянно или периодически).
Во-вторых, по той же причине отбор может осуществляться через отдельную систему воздуховодов (например, эластичных трубок), встроенных в вышеуказанные элементы конструкции без нарушения их основного назначения, конструктивного единства, без ухудшения параметров, например, прочности ремня безопасности.
Кроме того, говоря, что зона распространения потока выдыхаемого воздуха может быть образована средствами формирования потока, расположенными в зоне непосредственного распространения потока выдыхаемого воздуха, мы имеем в виду, что в этой последней «берут начало» средства отведения потока, что последний выводится ими из зоны непосредственного распространения в зону распространения.
Все остальные вариации ограничиваются комбинацией этих двух зон с учетом поворота головы, а также влияния внешних отражающих предметов и струй воздуха.
При конструировании устройств и необходимости переключения между вышеуказанными зонами для лучшего удаления продуктов выдоха, наряду с видеодатчиками, дающими положение лица, можно использовать, например, микрофоны, чтобы по факту голоса или специфике звучания ротового дыхания осуществлять переключение между зонами.
Как уже отмечалось, предложение относится к системам вентиляции, прежде всего, дополнительным, работающим с пониженным объемом внешнего притока и дает максимальный эффект для случая кабин и салонов, где по тем или иным причинам приток свежего воздуха ограничен. Системы вентиляции в соответствии с предложенным решением можно классифицировать следующим образом:
- «пассивная», когда забор продуктов выдоха производится непрерывно или импульсно из геометрических (пространственных) зон с повышенной концентрацией продуктов жизнедеятельности (так, для сидящих людей с носовым дыханием это зоны между подбородком и животом. При этом приток в нужной пропорции компенсирует забор и направлен, к примеру, на верхнюю часть головы/лица). Средства притока и/или забора обеспечивают необходимый для функционирования системы перепад давления. Датчики могут отсутствовать.
- «активная» - аналогичная п. 1, где улучшению условий забора способствует формирование соответствующими устройствами (соплами, направляющими) струй и вихрей, что позволяет осуществлять отведение продуктов выдоха внутри и даже вне геометрической зоны в удобных направлениях. Датчики также могут отсутствовать.
- «адаптивная» - аналогичная п. 1 или 2, но оснащенная механическими, электронными, оптическими или иными датчиками положения, перемещения, давления, звукового давления, концентрации и т.д., что позволяет осуществлять изменение направления струй, направляющих (параметров и положения вихрей) и переключение зон при изменении направления дыхания или положения человека (в том числе, перемещении головы, движении по салону и др.).
- «синхронная» - система по п. 1, 2 или 3, дополнительно оснащенная электронными, механическими, оптическими, химическими и др. датчиками определения наличия людей и/или факта дыхания (в том числе, локального повышения концентрации продуктов выдоха), после чего производится синхронизация отбора и удаления порций выдоха с ритмом дыхания, кроме того, для удаления выбираются порции с максимальной (выше пороговой) концентрацией продуктов выдоха из геометрических зон вблизи человека с целью максимального уменьшения необходимого притока на замену.
Разместить средства формирования забора (воздухозаборные элементы с отверстиями) целесообразно на пересечении упомянутых геометрических зон с различными поверхностями и предметами, размещенными в их пространстве. При этом, некоторые предметы могут приобретать дополнительные функции элементов системы вентиляции. Рассмотрим несколько конкретных вариантов систем:
- ремень безопасности (накладка на ремень, крепление ремня);
- задняя поверхность спинки кресла в средней и нижней ее части (для пассажиров второго и последующих рядов);
- в нижней части руля, на передней панели;
- декоративная накладка в виде резиновой или мягкой игрушки, связанной тонким шлангом с системой и располагаемая на животе или на коленях;
- любые другие места, выбранные по указанному алгоритму или их комбинации между собой и указанными выше.
Заметим также, что в случаях, когда к предметам, используемым в качестве заборных элементов системы вентиляции, подключение воздуховодов нежелательно, их можно оснащать автономным устройством передачи набранного объема дистанционно - узконаправленной струей в приемник.
Описанные выше средства забора должны сочетаться со средствами притока, компенсирующими удаляемые объемы воздуха. При этом средства притока могут быть единые и общие (вентиляционные отверстия в потолке, например), поскольку сам процесс дыхания людей в случае отвода и удаления продуктов создает нужное направление притока свежих масс воздуха. Но, разумеется, могут быть и индивидуальные, в этом случае располагать их желательно с ориентацией сверху, с потоками в направлении верхней части головы и с условием «неперекрывания», непересечения струй с потоком выдыхаемого воздуха.
При этом забор во всех случаях может быть как активным (насос для создания перепада давления и засасывания продуктов из геометрической зоны), либо пассивным, если притоком создается необходимое избыточное давление для вывода продуктов.
Как следует из вышеприведенного описания, система вентиляции является автономной и, как правило, дополнительной к обычной климатической установке транспортного средства, соответственно может монтироваться дополнительно или сразу проектироваться как часть основной системы. Аналогично автономная система вентиляции может выполняться с отдельными датчиками, либо принимать сигналы от уже имеющихся в автомобиле. Различной может быть и степень ее автоматизации.
Выше упоминались сенсор дыхания, сенсорный элемент, отдельные датчики, анализатор состава наружного воздуха, датчики внешней информации и группа датчиков. Несмотря на всю условность использованной терминологии, предполагается, что все датчики, сенсоры, анализаторы относятся к группе датчиков, в которую могут входить также средства фото- и видеорегистрации, акустические датчики и т.п. Датчики внешней информации - это по существу каналы поступления в контроллер данных от средств навигации, распределения загрязнений на местности и т.п. Сенсор дыхания управляет работой средств отвода воздуха, а сенсорный элемент регистрирует состояние пассажиров и водителя.
На фиг. 1-6 проиллюстрированы некоторые варианты реализации предлагаемого решения. В показанном на фиг. 1 примере средства притока чистого воздуха не обозначены, это может быть естественный приток через моторный отсек и окна, а средства отвода воздуха выполнены на ремне безопасности 1 и на руле 2 (с внутренней стороны и в центральной части) и представляют собой воздухозаборные отверстия 3 и 4 соответственно, подключенные через соответствующие воздуховоды (на ремне безопасности 1 воздуховод обозначен позицией 5, на руле 2 не показан) к вытяжному насосу (также не показан на фиг. 1), выбрасывающему потоки воздуха, загрязненного продуктами дыхания (через воздухозаборные отверстия 3 отводится поток, свойственный носовому дыханию, через отверстия 4 - ротовому). Для данного варианта, когда воздухозаборные отверстия 3 размещены на ремне безопасности 1, возможно выполнить средства синхронизации забора порций выдоха механическими, например, в виде пластин 6, 7 (справа они показаны на фиг. 1 отдельно), установленных ближе к месту крепления ремня безопасности 1, пластина 6 - неподвижно, а 7 - с возможностью смещения при натяжении ремня безопасности 1, возникающему в процессе дыхания водителя, например, посредством тяги 8, которая при вдохе смещается за счет дополнительного натяжения ремня безопасности 1. Указанное смещение приводит к тому, что отверстия 9 в пластине 6 перестают совпадать с отверстиями 10 в пластине 7 и откачка воздуха через воздухозаборные отверстия 3 в ремне безопасности 1 происходит только на выдохе. Исходное взаимное положение пластин 6 и 7 водитель устанавливает после пристегивания ремня безопасности 1 на полном вдохе или полном выдохе, фиксируя пластины 6, 7 в положении «начало перекрытия отверстий 9, 10» или «конец перекрытия отверстий 9, 10» соответственно.
2
В другом варианте, также показанном на фиг. 1, на коленях водителя или пассажира транспортного средства лежит подушка (или мягкая игрушка, коврик) 11, которая может быть оснащена сенсором (датчиком) дыхания (а также сенсорным элементом) 12, который управляет работой клапана 13 на входе гибкого шланга (воздуховода 5), подключенного к откачивающему насосу. Либо забор таким устройством производится непрерывно и независимо от сенсора, а отбраковка порций с повышенным содержанием CO, например, происходит уже в системе воздуховодов, где соответствующая пара сенсор - управляемый клапан обеспечивает выведение порции из системы или возвращение ее в рециркуляцию.
2
2
2
2
Описанная система была разработана на основании серии экспериментов, давших, в частности, следующие результаты: при сравнении показаний двух датчиков концентрации CO в салоне автомобиля, где один закреплен между рулем и животом водителя, а второй на пустом пассажирском сидении справа, была получена разница показаний при медленном движении по улице города при исключительно носовом дыхании водителя 3-3,5 раза (2900 ppm/820 ppm), а при разговоре по телефону и частичном дыхании ртом 1,7-2,5 раза (1600 ppm/830 ppm). Следовательно, эффективность даже простейшей предлагаемой системы вентиляции, не учитывающей тип дыхания и без синхронизации с последним, лежит в интервале от 2 до 3. Далее, при переводе вентиляции салона на внутреннюю циркуляцию концентрация CO в районе пассажирского сидения поднималась с 800 до 1500 всего за 2-3 мин(сильно зависит от направления лица, циркуляции в салоне и соответственно траектории распространения воздушных масс выдоха водителя) и дальше плавно росла на 100 ppm/мин. Тем самым концентрация быстро достигала значений, влияющих на концентрацию внимания и в целом вредных для здоровья. При включении в соответствии с настоящим предложением забора продуктов выдоха водителя из зоны между нижней частью руля и животом и с подачей минимально необходимого притока на замену скорость возрастания концентрации сразу же снижалась, увеличивая в 3-5 раз время автономности в автомобильной пробке при приемлемых концентрациях CO. Дополнительное применение сенсора для синхронизации с выдохом увеличивало положительный эффект, уменьшая при этом необходимый для замены приток. Одновременно (по измерениям) резко снижалось поступление загрязняющих микрочастиц и NO по сравнению с работой штатной вентиляции автомобиля.
На фиг. 2 изображена временная диаграмма работы системы вентиляции по фиг. 1, здесь T1 - момент, в который порция выдыхаемого пассажиром воздуха достигает сенсор дыхания 12, сигнал которого анализируется контроллером (на фиг. 1 не показан), который практически в тот же момент T1 включает средство удаления воздуха. Позицией T2 обозначен момент, в который контроллер включает сначала средства подачи (рециркуляции) ранее уже отведенного загрязненного воздуха (например, импульсный микронасос, установленный в воздуховоде, соединяющий тракт уже отобранного воздуха с соплами, направленными под острым углом «вдогонку» потоку выдыхаемого воздуха) для отсечения и замещения порции выдыхаемого пассажиром воздуха порцией - вдыхаемого, а затем включает средства подачи чистого воздуха.
Как отмечено выше, средства удаления (отвода) воздуха из салона транспортного средства могут быть выполнены с элементами формирования для последующего удаления выдыхаемой пассажирами струи воздуха. Процесс формирования поясняется фиг. 3, на которой показано выполнение средств удаления воздуха из салона транспортного средства при использовании в железнодорожном вагоне или салоне самолета, автобуса, когда пассажирские кресла 14 установлены друг за другом. Правые нагнетательные сопла 15 расположены в подголовниках кресел 14, нагнетательные сопла 16 с противоположной стороны кресел могут, как показано на фиг. 4, быть установлены на стенках салона, при этом сопла 15 и 16 направлены таким образом, чтобы направлять поток 17 выдыхаемого пассажирами воздуха и направлять его к воздухозаборным отверстиям 18, расположенным в нижней части спинки впереди стоящего кресла 14 и соединенными воздуховодами с соответствующей магистралью 19, за которой установлен вытяжной вентилятор 20. Направление выхода воздуха из сопел 15, 16 показано на фиг. 3 стрелками (поз. 39, см. ниже).
При этом, если в сопла 15, 16 подается воздух из салона транспортного средства, то подачу воздуха в салон осуществляют другие, отдельно предусмотренные средства. Однако, если совместить средства подачи воздуха в салон транспортного средства с элементами формирования для последующего удаления выдыхаемой пассажирами струи воздуха, то будет достигнута дополнительная экономия энергии. Какой именно из двух указанных вариантов исполнения или режимов, когда в транспортном средстве предусмотрена реализация обоих, выбрать, зависит от условий эксплуатации, состава наружного воздуха в данный момент. Решение принимают либо конструкторы транспортного средства, либо контроллер, причем последнему нужно лишь определить достаточно ли объема подаваемого наружного воздуха для замещения выдыхаемого количества в данный момент. Если достаточно, то контроллер, регулируя потоки воздуха путем изменения режима приточных вентиляторов и положение заслонок (на фиг. 3 не показаны), подает в сопла 15, 16 наружный воздух, если нет - смесь наружного и воздуха из салона, либо только из салона или только из коллектора отобранного (загрязненного воздуха, разумеется при этом последний вновь попадает в воздухозаборник и средствами отвода воздуха выбрасывается наружу или подается на рекуперацию). Отметим, что средства для этого широко известны и применяются в системах климат-контроля автомобилей. Более того, известные алгоритмы и средства построения систем климат-контроля позволяют без труда синтезировать средства управления в предложении применительно к любому из описанных выше алгоритмов работы (вариантов построения системы), а также их сочетаний. Тем не менее ниже рассмотрим более подробную блок-схему (фиг. 4) реализации предлагаемой системы.
2
28
25
28
25
В данном варианте выдох фиксируется по совпадению выходных сигналов сенсора дыхания 12, фиксирующего превышение концентрации CO порогового значения, и акустического датчика 21. С этой целью выходы указанных датчиков через соответствующие полосовые фильтры 22 и 23, настроенные на пропускание полосы частот дыхания и формирование потенциальных выходных сигналов, поступают на схему совпадения 24, выход которой через схемы задержки 25 и 28 (τ<τ, где τ - задержка соответствующего элемента) управляет соответствующими клапанами 26 и 29. Первый клапан установлен на воздуховоде вакуумного блока 27, а второй - на воздуховодах блока 30 нагнетания. Давление воздуха в блоке 27 ниже атмосферного, а в блоке 30 - выше, так что сначала, с задержкой τ порция свежего воздуха начинает поступать из блока 30 через сопла 15, 16 в салон 14, а затем, с задержкой τ, блок 27 через отверстия 18 начинает засасывать порцию 17 выдыхаемого пассажиром воздуха.
В показанном на фиг. 3 варианте выполнения системы вентиляции иллюстрируется также выполнение системы воздуховодов с матричной или периодической структурой. Это имеет смысл для салонов автобусов, самолетов, сидячих вагонов, а также больших помещений. В этом случае отвод (подача) воздуха к посадочным местам осуществляется через индивидуальные гибкие воздуховоды 31, сбор (раздача) воздуха из (в) которых(ые) производится по воздуховодам-коллекторам (магистралям) 32, имеющим большее сечение. Структура воздуховодов для показанного на фиг. 3 продольного ряда кресел 14 названа нами периодической, если же рассмотреть два смежных ряда кресел 14, отделенных проходом от таких же трех рядов кресел 14 (случай салона небольшого самолета), такую структуру мы назвали выше матричной. Разумеется, возможно те же названия и соответственно исполнение отнести к поперечным рядам кресел 14. Иными словами, структура раздачи (забора) воздуха для продольного или поперечного ряда выше поименована периодической, а если таких рядов несколько - матричной, причем, разумеется, тот или иной член матрицы может отсутствовать, быть отключен постоянно или временно ввиду отсутствия соответствующего кресла или его незанятости в данный момент.
Существенно лишь, чтобы система воздуховодов обеспечивала индивидуальный (то есть относящийся к отдельному занятому пассажиром посадочному месту) отвод (забор) и подачу воздуха, если последняя предусмотрена в системе вентиляции, а не является общей для салона или кабины.
В нижеприведенной таблице сведены варианты выполнения и расположения воздухозаборных отверстий 33 (фиг. 5), воздуховодов 34, соединяющих воздухозаборные отверстия 33 с штуцерами 35, подключенными к системам отвода и подачи воздуха, а также размещения приточных жалюзи или отверстий 36. Позицией 37 обозначена торпеда (приборная доска).
Фиг. 6 иллюстрирует основные отличия предлагаемой системы вентиляции от известных, точнее наиболее предпочтительный вариант ее исполнения по пп. 2-6 формулы. Слева на фиг. 6 показаны воздушные потоки в традиционных системах вентиляции. Справа - в предлагаемой. Позицией 38 обозначено направление распространения выдыхаемого воздуха (одинарный пунктир), позицией 39 - направление притока чистого воздуха (см. также фиг. 1). Как видно из фиг. 6, в автомобилях, оборудованных традиционными системами вентиляции, приток направлен продольно спереди автомобиля назад и приточные потоки «сметают», захватывают выдыхаемые пассажирами порции воздуха. В предлагаемой же системе последние без помех достигают заборных отверстий, а направленный сверху вниз и сбоку (и немного сзади вперед) приток если и пересекает отводимые потоки, то только для оттеснения их к воздухозаборным отверстиям.
Поясним сказанное подробнее. Традиционная концепция вентиляции автомобиля и связанная с ней компоновка приточных и заборных устройств фактически продольная. Это означает, что приток осуществляется спереди (часто снизу-спереди), общий или индивидуальный. Тогда как забор (вывод из салона) всегда общий и осуществляется одним или двумя отверстиями с клапанами в заднем конце салона или багажном отсеке (в легковых автомобилях это отверстие в районе заднего бампера). Таким образом, воздушные массы движутся продольно относительно горизонтальной оси салона и через весь салон.
В предложении же компоновка кардинально меняется. Во-первых, в режиме ограничения притока или квазиавтономной работы системы вентиляции приток осуществляется сверху, либо сверху под углом, либо сбоку и все равно сверху, поскольку для бокового притока уровень все равно должен быть выше уровня носа пассажира, чтобы не мешать отведению выдоха, если не сделана вышеописанная синхронизация для разделения струй притока и выдоха во времени, и, наконец, приток может быть организован даже сзади (т.е. противоположно общепринятому направлению). В этом единственном случае он не обязательно должен быть расположен относительно высоко, особенно если устройства забора также расположены не внизу, а перед лицом пассажира. В результате свободное движение воздушных масс в салоне происходит в значительной степени сверху вниз или сзади-вперед, что противоположно общепринятому, но при этом физиологически оправданно и комфортно для пассажиров и водителя (тогда как внутри воздуховодов потоки могут двигаться, разумеется, в любых направлениях, включая традиционные "спереди-назад", что определяется исключительно расположением внешних узлов автомобиля (внешняя заборная штанга притока, отверстие выброса и пр.).
Таким образом, предлагаемая система вентиляции обеспечивает в условиях загазованности и загрязнений длительные интервалы изоляции салона, кабины от притока внешнего воздуха. Это достигается не дополнительным притоком кислорода, а удалением углекислоты и других продуктов, которые целенаправленно выводятся из рециркуляции.
Если речь идет о ремне безопасности, то элементы вентиляции, которые выполнены в виде отверстий и каналов для забора и/или подачи воздуха, конструктивно могут быть размещены в структуре ремня и не нарушать его прочности. Они также могут выполняться в виде накладных элементов. В этом случае ремень выполняет роль несущей конструкции и при надевании (или при вывеске в свободном положении сбоку) позиционирует их в нужном положении относительно органов дыхания.
Как уже отмечалось выше, эти элементы могут быть выполнены так, чтобы работать с учетом ритма дыхания человека, находящегося на данном посадочном месте.
2
2
В качестве примера могут служить слои, имеющие возможность ограниченного взаимного перемещения, такого что в зависимости от натяжения перекрываются те или иные отверстия, т.е. если пассажир сел, пристегнулся и, например, на вдохе нажал защелку, так что сдвиговая заслонка выставилась на открытие приточных и закрытие заборных отверстий соответственно, описанный механизм начинает отслеживать перемещение грудной клетки по натяжению. Либо приточные отверстия вообще могут находиться сбоку и выше пассажира, на узле крепления ремня и работать постоянно, подавая свежий воздух в область носа, а перекрываться только заборные отверстия для избирательного поглощения именно продуктов выдоха. Управление работой средств откачки и притока порций воздуха может осуществляться также по периодическому изменению концентрация CO и/или HO (датчики могут быть расположены, например, в боковом креплении ремня в зоне замка кресла или вблизи крепления в двери, куда обеспечено попадание продуктов выдоха).
Ремень с элементами вентиляции в виде отверстий и каналов для забора и/или подачи воздуха может быть выполнен с элементами формирования струй (потоков) и/или конструктивными элементами, улучшающими пропорцию забора продуктов выдоха, в том числе в виде пластикового нагрудника с загнутым краем.
Аналогичный воздухозаборный элемент в виде «корзиночки» с соплами может быть размещен в нижней части руля и выполнен с разводкой воздуховодов через руль и рулевую колонку как совсем без датчиков, так и с датчиками изменения положения живота или нижней части грудной клетки водителя или пассажира: механического типа (в виде, например, бахромы из упругих полосок, касающихся передней части туловища); оптического (по аналогии с автофокусом фотоаппарата); ультразвукового (меряющего изменение дистанции по отражению) и др.
Тот же воздухозаборный элемент может быть выполнен в виде фартука на сиденьи или выступающего края подушки, находящегося в направлении линии от носа вниз для сидящего человека, при том, что разводка воздуховодов осуществляется через крепление сиденья, а к вышеперечисленным датчикам можно добавить простой оптический, реагирующий, например, на изменение тени, создаваемой передней частью тела при движении грудной клетки и живота от расположенного сверху источника света.
Все перечисленные варианты и множество других могут быть сконструированы, исходя из сформулированной выше сути предложения и приведенных примеров, причем все они, будь то ремень безопасности легкового автомобиля с элементами вентиляции или узлы отбора (забора, откачки) порций выдыхаемого воздуха с соответствующей системой воздуховодов и управления в салоне транспортного средства с рядами посадочных мест, могут быть охарактеризованы посредством наличия в системе вентиляции средств отвода воздуха, выполненных именно в виде средств отвода воздуха, загрязненного продуктами дыхания, а также расположением их воздухозаборные отверстий в зоне распространения потока выдыхаемого воздуха (непосредственным образом или направленного к указанным отверстиям). Именно эта особенность обеспечивает системе вентиляции повышенную степень автономности и экономичность.
Иными словами, положительный эффект достигается в предложении не только и не столько за счет автоматизации системы вентиляции, заключающейся в анализе состава воздуха и управлении процессом его обновления, или не только за счет учета ритма дыхания и состояния пассажиров и водителя, а прежде всего за счет соответствующей компоновки средств (отличающейся от традиционных решений) и целенаправленного удаления из салона порций выдыхаемого ими воздуха.