Пневматическая генераторная система с электромагнитным вспомогательным силовым блоком

Пневматическая генераторная система с электромагнитным вспомогательным силовым блоком

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники

[001] Настоящее изобретение относится к генераторной системе, в частности к генераторной системе, использующей сжатый воздух в качестве источника энергии и использующей электромагнитный вспомогательный силовой блок. Настоящее изобретение также относится к электромагнитному вспомогательному силовому блоку для пневматической генераторной системы.

Уровень техники

[002] Большинство обычных генераторных систем используют двигатель поршневого типа, применяющий топливо в качестве источника энергии. С одной стороны, из-за неполного сгорания топлива двигатель, использующий топливо в качестве источника энергии, выпускает газ, содержащий большое количество загрязняющих окружающую среду вредных веществ. С другой стороны, топливо получают из нефти и вследствие увеличивающегося дефицита нефтяных ресурсов разработка и применение систем, использующих топливный двигатель в качестве источника энергии, становятся все больше ограниченными. Таким образом, необходимы разработки новых, чистых и не создающих загрязнений альтернативных источников энергии или в максимально возможной степени уменьшение потребления топлива и сокращения выбросов. С этой целью во многих странах были проведены сложные и интенсивные исследования, в результате чего были исследованы и разработаны разные источники энергии, например альтернативное топливо, электрический привод, топливные батареи, солнечные батареи и т.п. Однако новые источники энергии или образованные на их основе гибридные источники обладают многими недостатками и, таким образом, существует необходимость в новом типе не вызывающего загрязнений и неисчерпаемого источника энергии. Источник энергии на основе сжатого воздуха способен удовлетворить этим требованиям.

[003] В FR 2731472 А1 описан двигатель, работающий в режиме подачи топлива и режиме подачи сжатого воздуха. На скоростной автотрассе указанный двигатель использует обычное топливо, такое как бензин или керосин, а при медленном движении в городском районе и пригороде сжатый воздух (или другой не вызывающий загрязнений сжатый газ) вдувается в камеру сгорания. Такой двигатель способен частично уменьшить расход топлива, однако ввиду использования рабочего топливного режима он не разрешает проблему выбросов.

[004] В US 6311486 В1 описан пневматический двигатель, предназначенный для дальнейшего уменьшения загрязненности. Этот тип двигателя использует три отдельные камеры: камеру сжатия на впуске, камеру расширения и выпуска и камеру сгорания постоянного объема. Камера сжатия на впуске соединена с камерой сгорания постоянного объема посредством клапана, а камера сгорания постоянного объема соединена с камерой расширения и выпуска посредством клапана. Недостаток этого двигателя состоит в большом времени, необходимом для прохождения сжатого воздуха из камеры сжатия на впуске в камеру расширения и выпуска, то есть необходимо большое время для получения газа источника энергии для перемещения поршня для осуществления работы. В то же время газ высокого давления, выпущенный из камеры расширения и выпуска, не используют, что ограничивает эффективность работы и продолжительность непрерывной работы для одной заправки двигателя.

[005] В CN 101413403 А (родственной заявке РСТ WO 2010051668 А1) заявитель по настоящей заявке раскрыл узел пневматического двигателя, используемый в транспортном средстве. Этот двигатель содержит резервуар для газа, воздухораспределитель, корпус двигателя, тягу, сцепление, автоматическую коробку передач, дифференциал и привод крыльчатки, размещенный в камере выпуска. Для выполнения работы указанный двигатель использует сжатый воздух без топлива, и, таким образом, нет выпуска отходящего газа, то есть он реализует «нулевой выброс».Отходящий газ повторно использован для генерации электроэнергии, что бережет источник энергии и сокращает затраты. Но этот двигатель основан на обычном четырехтактном двигателе, и когда коленчатый вал поворачивается на 720 градусов, поршень совершает работу один раз. Используемый в качестве источника энергии воздух высокого давления при его поступлении в цилиндр может толкать поршень с совершением работы, а затем происходит его выпуск, то есть такты двигателя на сжатом воздухе фактически представляют собой такт впуска-расширения и такт выпуска. Очевидно, что раскрытый в CN 101413403 А четырехтактный двигатель в значительной степени непроизводительно расходует эффективный рабочий ход, что ограничивает эффективность двигателя. Кроме того, отходящий газ указанного двигателя не может быть зациклен и использован соответствующим образом, вследствие чего, чтобы двигатель работал достаточно долго, необходим достаточно большой резервуар для газа для хранения газа высокого давления, что ограничивает перспективы использования этого двигателя на сжатом воздухе в промышленности.

[006] Вышеуказанные пневматические двигатели основаны на том, что при перемещении поршней через нижнюю мертвую точку в цилиндрах маховики приводят в движение поршни, продолжающие перемещение от нижней мертвой точки к верхней мертвой точке вследствие инерции перемещения коленчатого вала, и, таким образом, сжатый воздух в рабочих камерах выпускается. Однако, поскольку после расширения, предназначенного для толкания поршня для его работы в рабочей камере, сжатый воздух имеет высокое давление и поршни выбрасывают находящийся под давлением сжатый воздух посредством инерции поворота коленчатых валов и маховиков, очевидно, имеет место «потеря мощности», наиболее заметно проявляющаяся при низкой скорости поворота двигателя. В целях как можно большего увеличения скорости поворота пневматического двигателя поршни должны быстрее перемещаться в рабочей камере. А для увеличения стабильного выходного крутящего момента при малой скорости поворота пневматического двигателя необходим вспомогательный силовой блок для коленчатого вала.

[007] В настоящее время обычный вспомогательный силовой блок представляет собой электромагнитный вспомогательный силовой блок или вспомогательный силовой блок с постоянным магнитом. В CN 2512700 Y описан электромагнитный вспомогательный силовой блок для велосипеда, содействующий повороту колес посредством взаимодействия между магнитом и электромагнитом, что, таким образом, удваивает эффективность экономии энергии и вспомогательную мощность. В другой заявке WO 2004009424 А1 раскрыто рулевое устройство с электроприводом, использующее электромагнитную катушку для уменьшения усталости водителя. Таким образом, вспомогательный силовой блок, использующий электромагнит или постоянный магнит в качестве подвижной части, практически применим во многих отраслях промышленности.

[008] Цель настоящего изобретения состоит в создании генераторной системы, использующей пневматический двигатель в качестве источника энергии таким образом, что сжатый воздух можно применять для промышленной выработки энергии. Кроме того, раскрытая в настоящей заявке система пневматического двигателя включает электромагнитный вспомогательный силовой блок, предназначенный для вспомогательной мощности коленчатого вала. Таким образом, он обеспечивает поворотную вспомогательную мощность для коленчатого вала двигателя, которая способствует более быстрому выполнению поворота коленчатого вала двигателя и обеспечивает стабильный выходной крутящий момент при малой скорости поворота, и таким образом повышает эффективность пневматического двигателя.

Раскрытие изобретения

[009] В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения предложена пневматическая генераторная система с электромагнитным вспомогательным силовым блоком, содержащим двигатель, причем двигатель содержит цилиндр, систему головки цилиндра, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, поршень, тягу, коленчатый вал, распределительный кулачковый вал выпуска, распределительный кулачковый вал впуска, систему передней коробки передач и заднюю коробку передач. Указанный поршень подсоединен к коленчатому валу посредством тяги, указанная система передней коробки передач выполнена с возможностью передачи перемещения коленчатого вала и распределительного кулачкового вала. На указанной системе головки цилиндров расположено отверстие воздушной горловины, предназначенное для впуска сжатого воздуха, и выпускное отверстие, предназначенное для выпуска отходящих газов. Пневматическая генераторная система также включает блок резервуаров газа высокого давления, подсоединяемый к внешнему заправочному устройству через трубопровод, и резервуар постоянного давления, подсоединяемый к блоку резервуаров газа высокого давления через трубопровод. Причем указанная пневматическая генераторная система с электромагнитным вспомогательным силовым блоком также содержит клапан регулировки скорости на входе, сообщающийся с резервуаром постоянного давления посредством трубопровода, систему регулятора, электромагнитный вспомогательный силовой блок, многоколонный распределитель мощности, подсоединенный к коленчатому валу двигателя, генераторную систему, подсоединенную к многоколонному распределителю мощности посредством сцепления, электронный блок управления, управляющий клапаном регулировки скорости на входе на основе распознанного сигнала от датчика, устройство распределения мощности и контур рециркуляции отходящих газов.

[010] В одном из вариантов реализации настоящего изобретения указанный двигатель представляет собой двухтактный двигатель. В иллюстративном варианте реализации настоящего изобретения указанный контур рециркуляции отходящих газов содержит выпускной коллектор/воздушный компрессор, газоохладитель, резервуар рециркуляции отходящего газа, однонаправленный электрический турбинный всасывающий насос и глушитель отходящего газа, причем отходящий газ входит в глушитель отходящего газа по выпускному коллектору с последующим всасыванием в резервуар рециркуляции отходящего газа под действием однонаправленного электрического турбинного всасывающего насоса. После сжатия воздушным компрессором и после охлаждения газоохладителем отходящий газ, накопленный в резервуаре рециркуляции отходящего газа, попадает в установку резервуаров газа высокого давления.

[011] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения электронный блок управления получает сигнал от датчика углового перемещения для управления электрическим током в катушке электромагнитного вспомогательного силового блока. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанный воздушный компрессор подсоединен к многоколонному распределителю мощности посредством сцепления, так что воздушный компрессор приведен в действие посредством мощности, передаваемой от многоколонного распределителя мощности, для работы на сжатие отходящего газа, поступающего из резервуара рециркуляции отходящего газа. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанная система регулятора содержит трубу высокого постоянного давления с общей системой подачи, верхнюю крышку регулятора, среднее гнездо регулятора и нижнее основание регулятора. Верхняя крышка регулятора, среднее гнездо регулятора и нижнее основание регулятора герметически и с возможностью разборки соединены посредством болтов. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения впускной трубопровод расположен в указанной верхней крышке регулятора и подсоединен к трубе высокого постоянного давления с общей системой подачи посредством резьбового соединения. В указанном среднем гнезде регулятора установлены впускной клапан регулятора, пружина впускного клапана, втулка масляного уплотнения, нижнее основание пружины клапана регулятора и седло клапана регулятора. Указанный клапан регулятора стыкован с седлом клапана регулятора под предварительным действием пружины клапана регулятора. В указанном нижнем основании регулятора установлен толкатель регулятора, управляющий открытием и закрытием клапана регулятора, причем толкатель регулятора приводится в действие распределительным кулачковым валом впуска.

[012] В другом варианте реализации настоящего изобретения количество цилиндров равно шести и коленчатый вал содержит шесть звеньев коленчатого рычага. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанные шесть звеньев коленчатого рычага представляют собой по отдельности первое звено коленчатого рычага, второе звено коленчатого рычага, третье звено коленчатого рычага, четвертое звено коленчатого рычага, пятое звено коленчатого рычага и шестое звено коленчатого рычага, причем фаза каждого звена установлена следующим образом: разность фаз между первым звеном коленчатого рычага и вторым звеном коленчатого рычага составляет 120 градусов, разность фаз между вторым звеном коленчатого рычага и третьим звеном коленчатого рычага составляет 120 градусов, разность фаз между третьим звеном коленчатого рычага и четвертым звеном коленчатого рычага составляет 180 градусов, разность фаз между четвертым звеном коленчатого рычага и пятым звеном коленчатого рычага составляет -120 градусов, разность фаз между пятым звеном коленчатого рычага и шестым звеном коленчатого рычага составляет -120 градусов.

[013] В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения выполнен электромагнитный вспомогательный силовой блок для узла пневматического двигателя, в котором указанный узел содержит двигатель, содержащий цилиндр, систему головки цилиндра, впускной трубопровод, выпускной трубопровод, поршень, тягу, коленчатый вал, распределительный кулачковый вал выпуска и распределительный кулачковый вал впуска. Узел пневматического двигателя также содержит блок резервуаров газа высокого давления, подсоединенный к внешнему заправочному устройству посредством трубопровода, резервуар постоянного давления, подсоединенный к блоку резервуаров газа высокого давления посредством трубопровода, клапан регулировки скорости на входе, сообщающийся с резервуаром постоянного давления посредством трубопровода, и электронный блок управления. Указанный электромагнитный вспомогательный силовой блок содержит статорную часть, роторную часть и корпус вспомогательного силового блока, причем указанные статорная роторная части установлены независимо друг от друга и указанная статорная часть закреплена на корпусе вспомогательного силового блока. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанная статорная часть содержит неподвижный диск железного сердечника статора, железный сердечник статора и катушку железного сердечника статора. Указанная роторная часть содержит неподвижный диск железного сердечника ротора, железный сердечник ротора, катушку железного сердечника ротора и маховик вспомогательного силового блока.

[014] В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанный неподвижный диск железного сердечника статора и корпус вспомогательного силового блока соединены резьбовым соединением или посадкой с натягом. Указанный корпус вспомогательного силового блока закреплен на двигателе крепежными элементами, проходящими через монтажные отверстия корпуса. Неподвижный диск железного сердечника ротора и маховик вспомогательного силового блока соединены резьбовым соединением или посадкой с натягом. Маховик вспомогательного силового блока закреплен на удлинительном конце коленчатого вала двигателя посредством шпонки для того, чтобы осуществлять поворот вместе с коленчатым валом. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения электромагнитный вспомогательный силовой блок также содержит датчик углового перемещения. Указанный датчик углового перемещения связан с электронным блоком управления с возможностью передачи сигнала об угловом перемещении коленчатого вала в электронный блок управления. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения количество железных сердечников ротора равно двум, они расположены на диске железного сердечника ротора и отстоят друг от друга на 180 градусов; количество железных сердечников статора равно двум, они расположены на диске железного сердечника статора и отстоят друг от друга на 180 градусов. Еще в одном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения количество железных сердечников ротора равно трем, соседние железные сердечники ротора отстоят друг от друга на 120 градусов и расположены на диске железного сердечника ротора. Количество железных сердечников статора равно трем, соседние железные сердечники статора отстоят друг от друга на 120 градусов и расположены на диске железного сердечника ротора. Еще в одном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения количество железных сердечников ротора равно четырем, соседние железные сердечники ротора отстоят друг от друга на 90 градусов и расположены на диске железного сердечника ротора. Количество железных сердечников статора равно четырем, соседние железные сердечники статора отстоят друг от друга на 90 градусов и расположены на диске железного сердечника ротора. Еще в одном предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения количество железных сердечников ротора равно пяти, соседние железные сердечники ротора отстоят друг от друга на 72 градуса и расположены на диске железного сердечника ротора. Количество железных сердечников статора равно пяти. Соседние железные сердечники статора отстоят друг от друга на 72 градуса и расположены на диске железного сердечника ротора.

[015] В иллюстративном варианте реализации настоящего изобретения указанные железные сердечники статора установлены под углом на указанном диске железного сердечника статора с целью лучшего индуцирования электромагнитной силы наряду с железными сердечниками ротора в исходном положении. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанный железный сердечник статора выполнен из сложенных в стопу листов кремнистой стали, а железный сердечник ротора выполнен из сложенных в стопу листов кремнистой стали или выполнен из цельного блока стали. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения указанный датчик углового перемещения представляет собой датчик потенциометрического типа или датчик типа датчика углового перемещения Холла. В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения указанный электронный блок управления управляет включением и выключением электрического тока электромагнитной катушки на основании сигнала от датчика углового перемещения. В иллюстративном варианте реализации настоящего изобретения моменты включения и выключения электрического тока в течение одного оборота коленчатого вала представляют собой переменные, управляемые указанным электронным блоком управления на основании количества железных сердечников статора или железных сердечников ротора. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, когда количество указанных железных сердечников статора равно двум, количество моментов как включений, так и выключений электрического тока в течение одного оборота коленчатого вала равно двум и управляется электронным блоком управления. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, когда количество указанных железных сердечников статора равно трем, количество моментов как включений, так и выключений электрического тока в течение одного оборота коленчатого вала равно трем и управляется электронным блоком управления. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, когда количество указанных железных сердечников статора равно четырем, количество моментов как включений, так и выключений электрического тока в течение одного оборота коленчатого вала равно четырем и управляется электронным блоком управления. В предпочтительном варианте реализации настоящего изобретения, когда количество указанных железных сердечников статора равно пяти, количество моментов как включений, так и выключений электрического тока в течение одного оборота коленчатого вала равно пяти и управляется электронным блоком управления.

Краткое описание чертежей

[016] Будут описаны предпочтительные, но не ограничивающие варианты реализации настоящего изобретения. Эти и другие характерные особенности и преимущества настоящего изобретения будут очевидны в ходе их детального описания со ссылками на чертежи.

На фиг.1 схематически показан общий вид пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком согласно настоящему изобретению. На фиг.2 показан вид спереди двигателя пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.3 показан вид с правой стороны двигателя пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.4 показан вид с левой стороны двигателя пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.5 показан вид сверху двигателя пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.6 показан узел коленчатый вал-тяга-поршень двигателя пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1, в которой показана связь между одним из блоков поршень-тяга и корпусом цилиндра. На фиг.7 схематически показан структурный вид блока коленчатого вала узла коленчатый вал-тяга-поршень по фиг.6. На фиг.8 схематически показан структурный вид распределительного кулачкового вала двигателя по фиг.2. На фиг.9А показан вид в перспективе системы регулятора пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.9В показан вид в продольном разрезе системы регулятора по фиг.9А. На фиг.9С показан вид в поперечном разрезе системы регулятора. На фиг.10А показан вид в перспективе системы передней коробки передач пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.10В показан вид слева фиг.10А. На фиг.10С показан частичный вид в разрезе с правой стороны фиг.10А. На фиг.11А показан вид в перспективе многоколонного распределителя мощности пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1. На фиг.11В показан вид в поперечном разрезе по продольной разделительной оси по фиг.11А. На фиг.11С показан вид с левой стороны фиг.11А. На фиг.11D показан вид сверху фиг.11А. На фиг.12А показана диаграмма зависимости давления от объема для работающего на сжатом воздухе двигателя, иллюстрирующая последовательное распределение мощности сжатого воздуха многоступенчатого типа. На фиг.12В показана диаграмма зависимости давления от объема для работающего на сжатом воздухе двигателя, иллюстрирующая параллельное распределение мощности сжатого воздуха многоступенчатого типа. На фиг.13А показан вид в перспективе предпочтительного варианта реализации электромагнитного вспомогательного силового блока пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1, где показано, что ротор и статор имеют по два железных сердечника. На фиг.13В показан вид спереди фиг.13А. На фиг.13С показан вид в центральном разрезе фиг.13А. На фиг.14А показан вид в перспективе еще одного предпочтительного варианта реализации электромагнитного вспомогательного силового блока пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1, где показано, что ротор и статор имеют по три железных сердечника. На фиг.14В показан вид спереди фиг.14А. На фиг.14С показан вид в центральном разрезе фиг.14А. На фиг.15А показан вид в перспективе еще одного предпочтительного варианта реализации электромагнитного вспомогательного силового блока пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1, где показано, что ротор и статор имеют по четыре железных сердечника. На фиг.15В показан вид спереди фиг.15А. На фиг.15С показан вид в центральном разрезе фиг.15А. На фиг.16А показан вид в перспективе еще одного предпочтительного варианта реализации электромагнитного вспомогательного силового блока пневматической генераторной системы с электромагнитным вспомогательным силовым блоком по фиг.1, где показано, что ротор и статор имеют по пять железных сердечников. На фиг.16В показан вид спереди фиг.16А. На фиг.16С показан вид в центральном разрезе фиг.16А.

Варианты реализации настоящего изобретения

[017] Следующее описание приведено только в качестве иллюстрации и никоим образом не ограничивает раскрытие, применение и использование изобретения. Следует иметь в виду, что на всех чертежах соответствующие номера позиций обозначают одинаковые или соответствующие компоненты или характеристики. Перед подробным описанием вариантов реализации настоящего изобретения сначала проведен теоретический анализ энергии двигателя на сжатом воздухе. Процесс работы двигателя на сжатом воздухе прост и содержит только операции расширения сжатого воздуха и совершения им работы. Как показано на фиг.12А, кривые 1-5 отражают процесс расширения сжатого воздуха при постоянной температуре, а кривые 1-6 отражают процесс адиабатического расширения сжатого воздуха. Находящийся в двигателе сжатый воздух не может совершить работу при полностью постоянной температуре, этот процесс всегда промежуточный между процессом при постоянной температуре и адиабатической процессом. И для улучшения эффективности использования энергии сжатого воздуха может быть применен многоступенчатый адиабатический процесс, аппроксимирующий адиабатический процесс или многоступенчатый процесс теплопоглощения при постоянном объеме, аппроксимирующий процесс при постоянной температуре. На фиг.12А показан двухступенчатый процесс 1-2-3-4 выполнения работы при расширении сжатого воздуха, причем кривые 1-2 и 3-4 показывают выполнение работы в первом и втором цилиндрах по отдельности. После адиабатического расширения и выполнения работы на первой ступени рабочая среда поглощает теплоту при постоянном давлении через теплообменник (2-3), затем возвращает первоначальную температуру, и затем расширяется и выполняет работу во втором цилиндре. С теоретической точки зрения рабочий процесс двигателя может быть приближенно рассмотрен как процесс расширения при постоянной температуре, причем площадь, окруженная кривой 1-5 и значениями координат V₁ и V₂, показывает работу расширения газа, то есть когда сохраненная энергия сжатого воздуха высвобождена. Однако на фиг.12В кривые 1 и 2 диаграммы показывают соответственно процесс расширения при постоянной температуре и процесс адиабатического расширения, а реальный процесс декомпрессионного расширения расположен между кривыми 1 и 2. Точка А на виде представляет собой исходную точку, а точки В, С, D, Е соответствуют значениям давления на нескольких ступенях при соответствующем многоступенчатом управлении давлением. В этих точках реализованы процессы поглощения теплоты при постоянном объеме, таких как ВС и DE и т.д. Теоретически, площадь, окруженная кривой 1 и указанными значениями координат V₁ и V₂, показывает работу расширения газа, когда сохраненная энергия сжатого воздуха высвобождена.

[018] Предполагается, что давление зарядки резервуара высокого давления равно pi, полная работа расширения, когда объем Vi идеального газа расширяется до нормального давления р2 при абсолютно постоянной температуре, показана далее:

W = ∫ ( p 1 , V 1 ) ( p 2 , V 2 ) p d V                   ( 1 ) , p 1 V 1 = p 2 V 2                       ( 2 )

причем (p₁V₁) и (p₂V₂) представляют собой начальное и конечное состояния по отдельности, а конечное состояние после адиабатического расширения равно. Выбраны такие параметры двигателя, производимого компанией MDI Inc. France, что начальное давление в резервуаре p₁=30 МПа, объем в резервуаре V₁=300 л, конечное давление при комнатной температуре р₂=0,1 МПа. Посредством формул (1) и (2) можно рассчитать, что полная работа расширения между начальным и конечным состояниями при абсолютно постоянной температуре расширения равна W=51,334 МДж.

[019] Предполагается, что рабочая температура двигателя на сжатом воздухе равна 300 K, в то время как масса сжатого воздуха при давлении 300 МПа и объеме 300 л составляет 104,553 кг. Допустим, что масса газового резервуара составляет 100 кг, то есть соответствующая удельная энергия составляет примерно 75 Вт·час/кг. По сравнению с встроенным аккумулятором, таким как свинцово-кислотный аккумулятор и никелево-кадмиевый аккумулятор, удельная энергия сжатого воздуха выше и почти эквивалентна никелево-водородному аккумулятору, так что существует возможность дальнейшего обширного усовершенствования. При разработке резервуаров газа высокого давления, обладающих большим объемом, высоким давлением и малой массой, удельная энергия сжатого воздуха может быть значительно увеличена и приближена к удельной энергии натрий-серного и литий-полимерного аккумуляторов. Сжатый воздух может выполнять работу в двух режимах в двигателе, а именно процесс расширения при постоянной температуре и адиабатический процесс. Ниже проведено описание их характеристик со ссылкой на конкретный параметр.

[020] Мы выбираем начальное состояние 1 (30 МПа, 300 K) и конечное состояние 2 (0,1 МПа, 300 K) и проводим расчет работы расширения единицы массы сжатого воздуха в процессе при постоянной температуре и в адиабатическом процессе. В процессе при постоянной температуре работа расширения единицы массы сжатого воздуха равна W=491 кДж/кг. В адиабатическом процессе работа расширения единицы массы сжатого воздуха равна W=242,3 кДж/кг. Из теоретических расчетов видно, что работа расширения в процессе при постоянной температуре почти в 2 раза больше работы расширения в адиабатическом процессе, так что эффективность использования энергии в процессе при постоянной температуре выше, чем в адиабатическом процессе, и с точки зрения теории процесс при постоянной температуре идеален. Однако "постоянство температуры" очень трудно реализовать в цилиндре двигателя, и второй поток тепла должен быть введен в стенку двигателя для поддержания достаточного тепла, что увеличивает технические затруднения и усложняет конструкцию двигателя. Ниже с точки зрения использования энергии сжатого воздуха описаны два режима распределения мощности двигателя на сжатом воздухе.

[021] В параллельном режиме эквивалентное количество сжатого воздуха поступает в каждый цилиндр одновременно для расширения и выполнения работы. Предположим, что исходное состояние 1 равно (30 МПа, 300 K), конечное состояние 2 равно (0,1 МПа, 300 K), сжатый воздух расширяется при постоянной температуре в цилиндре, изотермическое отношение примерно равно η=80%, количество цилиндров равно четырем, единица масса впускаемого в двигатель сжатого воздуха составляет 1 кг. Тогда полная техническая работа газа во всех четырех цилиндрах равна

∑ W T O L = 4 × W 4 η = 392,8     к Д ж / к г , V 2 = ( p 1 p 2 ) V 1 = 300 V 1

Хотя процесс расширения при постоянной температуре представляет собой идеальный рабочий процесс, объем газа после расширения в 300 раз больше, чем до расширения. Таким образом, предназначенный для выполнения работы цилиндр должен иметь большой объем. При использовании цилиндра существующего двигателя в качестве цилиндра после расширения и выборе коэффициента сжатия, равного 10,

p 2 = p 1 ( V 1 V 2 ) = 3       м П а , W=198,3 кДж/кг

Очевидно, что техническая работа сильно уменьшена, она меньше технической работы при адиабатическом расширении, и остаточное давление также велико и энергия не может быть использована в достаточной мере. Но преимущество параллельного режима состоит в одинаковом структурном размере каждого из цилиндров, их расположение простое и выход мощности стабилен. Учитывая то, что при современном уровне техники цилиндры не могут удерживать абсолютно постоянную температуру, коэффициент сжатия в цилиндре не может быть слишком большим, а выпускаемый сжатый воздух после расширения и выполнения работы имеет по-прежнему высокое давление, так что он может работать непрерывно, таким образом использование многоступенчатого адиабатического процесса или рециркуляция энергии отходящего газа с помощью закрывающего контура в настоящее время представляет собой реальный и эффективный способ.

[022] В последовательном режиме сжатый воздух адиабатически расширяется и выполняет работу в каждом цилиндре по очереди, причем газ, выпускаемый из цилиндра на предыдущей ступени, определяет начальное давление в цилиндре на следующей ступени. Теоретический анализ показывает, что чем больше использовано последовательных ступеней, тем больше последовательных цилиндров использовано, тем больше работы может совершить единица массы сжатого воздуха и коэффициент использования энергии выше. Обычно при наличии четырех последовательных ступеней может быть достигнуто 80% работы при полностью постоянной температуре. Самая трудно разрешимая проблема последовательных цилиндров в том, что необходимо, чтобы объем цилиндра на следующей ступени был больше, чем объем цилиндра на предыдущей ступени, и между цилиндрами на различных ступенях должны быть размещены теплообменники для поглощения тепла при постоянном давлении. Поэтому размер двигателя все больше увеличивается, что может влиять на общую компоновку оборудования, использующего двигатель на сжатом воздухе.

[023] Из вышеприведенного анализа видно, что двигатель на сжатом воздухе отличен от обычного топливного двигателя и электроэнергетической установки, причем принцип его действия осуществим и соответствует постоянно развивающейся стратегии охраны окружающей среды и экономии ресурсов. Источник сжатого воздуха легко доступен, способ хранения энергии имеет преимущества по сравнению с хранением электрической или гидравлической энергии. Каждый из способов распределения мощности сжатого воздуха имеет свои преимущества и недостатки. Каждый из режимов распределения мощности имеет свои преимущества и недостатки, и улучшение эффективности использования сжатого воздуха и увеличение объема резервуара высокого давления и давление зарядки являются основными мерами увеличения непрерывности работы после однократной зарядки. Когда объем резервуара и давление зарядки относительно определены, эффективность η использования энергии сжатого воздуха представляет собой в максимальной степени изменяемый параметр. Поэтому должны быть интенсивно изучены такие во