ТЕПЛОВОЗ
DIESEL LOCOMOTIVE

Настоящее изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может найти применение в качестве тепловоза.
Известен маневровый тепловоз ТГМ-6А, содержащий раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, имеющий водительское и моторное отделения, дизельный двигатель, размещенный внутри моторного отделения, гидропередачу, которая соединена с дизельным двигателем, а посредством валов и осевых редукторов связана с колесными парами, трехцилиндровый компрессор, который посредством гидромуфты связан с гидропередачей, холодильник, вентилятор которого через редуктор соединен с дизельным двигателем системы: питания, охлаждения, смазки, запуска, тормозной, электрической, песочной, механизмы управления.
/Г.Я. Белобаев, В.И. Бурьяница, М.К. Гавриленко и др. Маневровые тепловозы. Ред. Л.С. Назаров. М., Транспорт, 1977, с.5-30, рис.7, таблица 2.4/.
Недостатками известного маневрового тепловоза ТГМ-6А являются: большой расход топлива, значительная вибрация, большие тепловые потери и потери на трение в дизельном двигателе, большой вес.
Указанные недостатки обусловлены инерцией подвижных частей и их большим количеством, большими размерами двигателя и его конструкцией.
Известен также двухсекционный тепловоз ТЭ-3, каждая секция которого содержит раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, установленный на раме и имеющий водительское и моторное отделения, десятицилиндровый бескомпрессорный дизельный двигатель 2Д №100 с вертикальными встречнодвижущимися поршнями, установленный в моторном отделении и имеющий муфту сцепления, тяговый генератор, связанный с дизельным двигателем, тяговые электродвигатели, механически соединенные с колесными парами, а электрически через контролер подключенные к выходу тягового генератора, двухмашинный агрегат, содержащий генератор для питания обмоток возбуждения тягового генератора и генератор для зарядки аккумуляторных батарей и питания электродвигателей вспомогательных агрегатов и других потребителей, механически соединенный с дизельным двигателем, системы: питания, охлаждения, смазки, запуска, электрическую, пневматическую, песочную, механизмы управления.
/В.А. Раков, Локомотивы отечественных железных дорог 1845-1955. Изд.2. М., Транспорт, с.382-384/.
Одна секция тепловоза ТЭ-3, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.
Недостатки секции тепловоза ТЭ-3, принятой за прототип, те же.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией дизельного двигателя тепловоза.
Задачей настоящего изобретения является повышение технических характеристик тепловоза.
Технический результат обеспечивается тем, что в тепловозе, содержащем раму с ходовой частью и подвесками, кузов, установленный на раме и имеющий водительское и моторное отделения, силовую установку, тяговый генератор, механически соединенный с силовой установкой, тяговые электродвигатели, механически соединенные с колесными парами, а электрически через контролер подключенные к тяговому генератору, двухмашинный агрегат, содержащий генератор для питания обмоток возбуждения тягового генератора и генератор для зарядки аккумуляторных батарей, питания электродвигателей вспомогательных агрегатов и других потребителей, механически соединенный с силовой установкой, трехцилиндровый двухступенчатый компрессор, механически соединенный с силовой установкой, системы: питания, охлаждения, смазки, запуска, электрическая и пневматическая, механизмы управления, согласно изобретению силовая установка выполнена в форме четырехтактного дизельного двигателя, каждый цилиндр которого содержит внутри перегородку, имеющую центральное отверстие с элементами управления, делящую внутренний объем цилиндра на две равные полости, и закрыт снизу нижней крышкой, имеющей центральное отверстие с элементами уплотнения, закрепленной кольцом, привернутыми болтами к блоку цилиндров, кроме того, внутрь обеих полостей цилиндра вставлены поршни с элементами уплотнения, по одному на каждую полость, соединенные между собой штоком, пропущенным в центральные отверстия перегородки и нижней крышки, нижний конец которого соединен с шатуном, а последний связан с кривошипом коленчатого вала, причем перегородка и поршни с нижней крышкой образуют в цилиндре четыре рабочих камеры, каждая из которых имеет впускной блок с впускным клапаном, взаимодействующим с кулачком впускного газораспределительного вала и форсункой, гидравлически соединенной с насосом высокого давления, механически связанным с коленчатым валом, причем впускной блок посредством трубопроводов соединен с воздушным фильтром нагнетателя воздуха и выпускной блок с выпускным клапаном, связанным с кулачком выпускного газораспределительного вала, причем выпускной блок через вытяжной вентилятор и выпускную трубу соединен с атмосферой.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен общий вид тепловоза;
на фиг.2 - расположение силовой установки в моторном отделении;
на фиг.3 - блок-схема силовой установки;
на фиг.4 - кинематическая схема силовой установки;
на фиг.5 - кинематическая схема газораспределительного механизма;
на фиг.6 - устройство впускного блока двигателя;
на фиг.7 - устройство выпускного блока двигателя;
на фиг.8 - принципиальная схема двигателя;
на фиг.9 - схема системы питания двигателя;
на фиг.10, 11, 12, 13 - схема принципа действия двигателя.
Тепловоз содержит раму 1 с ходовыми тележками 2 и подвесками, кузов 3, установленный на раме и имеющий водительское и моторное отделения. Водительское отделение 4 является рабочим местом машиниста и содержит механизмы управления. Внутри моторного отделения 5 установлены силовая установка 6, тяговый генератор 7, механически соединенный с силовой установкой, двухмашинный агрегат 8, содержащий генератор для питания обмоток возбуждения тягового генератора и генератор для зарядки аккумуляторных батарей и питания различных потребителей электрической энергии 9, механически соединенный с силовой установкой, трехцилиндровый двухступенчатый компрессор 10, механически соединенный с силовой установкой. На верхней части кузова закреплены баллоны 11 пневматической системы торможения. Тяговые электродвигатели 12 закреплены на ходовых тележках и через контролер 13 подключены к тяговому генератору и к тормозным реостатам 14, механически соединены с колесными парами, а пневматически связаны с вентиляционными системами охлаждения 15, размещенными в нижней части кузова.
Силовая установка тепловоза выполнена в форме четырехцилиндрового четырехтактного дизельного двигателя. Он содержит блок цилиндров 16 с рубашкой охлаждения 17, верхнюю цилиндровую крышку 18, привернутую болтами к блоку цилиндров. Каждый из цилиндров 19 содержит внутри перегородку 20, имеющую центральное отверстие с элементами уплотнения 21, которая делит внутренний объем цилиндра на две равные полости. Снизу каждый цилиндр закрыт нижней крышкой 22, имеющей центральное отверстие с элементами уплотнения 23, закрепленной кольцом 24, привернутым болтами к блоку цилиндров. Внутрь обеих полостей цилиндра вставлены поршни 25 с элементами уплотнения 26, по одному на каждую полость, соединенные между собой штоком 27, пропущенным в центральные отверстия перегородки и нижней крышки. Нижний конец штока шарнирно соединен с шатуном 28, который связан с кривошипом коленчатого вала 29, размещенным в картере 30 и имеющего маховик 31. Снизу картер закрыт крышкой 32. Перегородка и поршни с нижней крышкой образуют в цилиндре четыре рабочих камеры 33, 34, 35, 36, каждая из которых имеет впускное отверстие 37, соединенное с впускным блоком 38, имеющим впускной клапан 39 и форсунку 40 и выпускное отверстие 41, соединенное с выпускным блоком 42, имеющим выпускной клапан 43. Посредством трубопроводов впускные блоки пневматически соединены с воздушным фильтром 44 нагнетателя воздуха 45, приводимого в движение электродвигателем 46, питаемым от генератора-стартера 47, шестерня 48 которого входит в постоянное зацепление с зубчатым венцом маховика. Посредством трубопроводов выпускные блоки связаны с вытяжным вентилятором 49, приводимым в движение электродвигателем, питаемым от генератора-стартера, и через выпускную трубу 50 соединены с атмосферой. Газораспределительный механизм содержит горизонтально впускной 51 и выпускной 52 валы, установленные в подшипниках блока цилиндров и имеющие зубчатые шестерни 53, 54, которые посредством цепных передач 55, соединены с шестернями 56 коленчатого вала. Впускной горизонтальный вал посредством шестерен 57, 58 соединен с вертикальными впускными валами 59, имеющими кулачки 60, взаимодействующие с впускными клапанами впускных блоков. Выпускной горизонтальный вал посредством шестерен 61, 62 соединен с вертикальными выпускными валами 63, имеющими кулачки, взаимодействующие с выпускными клапанами выпускных блоков. Система питания дизельного двигателя содержит топливный бак 64, который посредством трубопроводов соединен с топливным насосом 65, который связан посредством шестерен 66, 67 с коленчатым валом. Система питания содержит также насос высокого давления 68, гидравлически соединенный с топливным насосом и форсунками впускных блоков. Насос высокого давления имеет рычаг регулирования подачи топлива 69 и через шестерни 70, 71. Системы охлаждения и смазки имеют водяной 72 и масляный 73 насосы, механически через шестерни соединенные с коленчатым валом. Дизельный двигатель включает в себя все другие узлы, присущие четырехтактным дизельным двигателям.
Работа тепловоза.
После проверки всех систем тепловоза производится запуск силовой установки 6. Напряжение от аккумуляторных батарей (не показанных на чертежах) подается на генератор-стартер 47. Его шестерня 48 через зубчатый венец вращает маховик 31 и коленчатый вал 29. Через некоторое время четырехтактный четырехцилиндровый дизельный двигатель запускается и работает следующим образом.
В исходном положении (фиг.10) верхний и нижний поршни 25 находятся в верхней мертвой точке (ВМТ). В рабочей камере 33 воздух сжат и нагрет до высокой температуры, впускной 39 и выпускной 43 клапаны закрыты, и через форсунку 40 в нее насосом высокого давления 68 впрыскивается топливо (показано стрелкой). Топливо от высокой температуры в рабочей камере 33 воспламеняется, и образовавшиеся газы производят давление на верхнюю поверхность верхнего поршня 25, который движется вниз, совершая рабочий ход, а через шток 27 заставляет двигаться вниз нижний поршень 25, причем шатун 28 поворачивает коленчатый вал 29 в направлении, показанном стрелкой, на 180 градусов. Одновременно с этим в рабочей камере 34 происходит сжатие воздуха и оба клапана 39, 43 закрыты. В рабочей камере 35 открыт впускной клапан 39, и происходит подача нагнетателем воздуха 45 новой порции свежего воздуха. В рабочей камере 36 открыт выпускной клапан 43, и отработанные газы удаляются вытяжным вентилятором 49 через выпускную трубу 50 в атмосферу. Достигнув нижней мертвой точки (НМТ), верхний и нижний поршни 25 занимают положение, показанное на фиг.11. Далее в рабочую камеру 34, где воздух сжат и нагрет, насосом высокого давления 68 через форсунку 40 впрыскивается топливо (показано стрелкой), которое воспламеняется, и образующиеся газы производят давление на нижнюю поверхность верхнего поршня 25. Под действием давления газов верхний поршень 25 движется вверх, совершая рабочий ход, через шток 27 перемещает в ту же сторону и нижний поршень 25. Одновременно с этим в рабочей камере 33 открыт выпускной клапан 43, и вытяжной вентилятор 49 удаляет отработанные газы в атмосферу. В рабочей камере 35 оба клапана 39, 43 закрыты, и происходит сжатие воздуха. В рабочей камере 36 открыт впускной клапан 39, и нагнетатель воздуха 45 засасывает воздух из атмосферы через воздушный фильтр 44 и подает в нее. Шток 27 и шатун 28 поворачивают коленчатый вал 29 еще на 180 градусов в положение, показанное на фиг.12. Топливо насосом высокого давления 68 через форсунку 40 подается в рабочую камеру 35, где воспламеняется, и образовавшиеся газы производят давление на верхнюю поверхность нижнего поршня 25, который начинает двигаться вниз, перемещает за собой верхний поршень 25, совершая рабочий ход. Шток 27 и шатун 28 поворачивают коленчатый вал 29 еще на 180 градусов. При этом в рабочей камере 33 открыт впускной клапан 39, и происходит впуск чистого воздуха нагнетателем воздуха 45, в рабочей камере 34 открыт выпускной клапан 43 и происходит выпуск отработанных газов, а в рабочей камере 36 оба клапана 39, 43 закрыты и происходит сжатие воздуха. Достигнув нижней мертвой точки (НМТ), поршни занимают положение, показанное на фиг.13. В это время насос высокого давления 68 подает топливо в рабочую камеру 36, где оно воспламеняется, и образовавшиеся газы производят давление на нижнюю поверхность нижнего поршня 25, заставляя его перемещаться к верхней мертвой точке (ВМТ) и через шток 27 передвигать в этом же направлении верхний поршень 25. При этом в рабочей камере 33 происходит сжатие воздуха, впускной 39 и выпускной 43 клапаны закрыты, в рабочей камере 34 открыт впускной клапан 39, и нагнетатель воздуха 45 подает в нее чистый воздух, в рабочей камере 35 открыт выпускной клапан 43, и вытяжной вентилятор 49 удаляет отработанные газы в атмосферу. После возвращения поршней в исходное положение все начинается сначала. Также происходят процессы и в других цилиндрах.
Из таблицы 1 видно, что за один ход поршней совершается полный цикл четырехтактного дизельного двигателя при повороте коленчатого вала на 180 градусов, в то время как в классическом четырехтактном дизельном двигателе полный цикл совершается за четыре хода поршня и за 720 градусов поворота коленчатого вала.
После запуска силовой установки 6 вал тягового генератора 7 приходит во вращение, и он вырабатывает электроэнергию для движения тепловоза, управление которым ничем не отличается от управления обычным тепловозом с электрической тягой.
Технический результат заключается в более высоком КПД и большей мощности силовой установки при меньшем ее объеме, экономии топлива, в возможности вождения составов с большим весом и с большей скоростью.