ГАЗОТЕПЛОВОЗ С ГИБРИДНОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ
GAS LOCOMOTIVE WITH HYBRID POWER PLANT

Изобретение относится к области тепловозостроения и касается конструкции газотепловоза и его силовой установки.
Существует два основных способа реализации воспламенения газовоздушной смеси в силовой установке газотепловозов - по газовому и газодизельному циклам (см. «Железнодорожный транспорт», 2010, №10, с. 51-54).
В настоящее время газовый цикл в отечественном тепловозостроении представлен газотепловозом ТЭМ19, эксплуатируемым на полигоне Свердловской железной дороги. Его конструкция состоит из модулей: кабины машиниста, криогенной установки с системой газоподготовки и подачи природного газа, дизель-генераторной установки, холодильной камеры и тормозного оборудования, аппаратной камеры и вспомогательного оборудования (см. «Техника железных дорог мира», 2015, №4, с. 54-58). На газотепловозе применен газопоршневой двигательгенератор ГДГ800Т в составе газопоршневого двигателя 8ГЧН21/26 с искровым форкамерно-факельным зажиганием с рядным расположением цилиндров.
Известен также «Маневровый тепловоз с газопоршневой силовой установкой (варианты)» (см. Патент РФ №2537022 В61С 5/00).
Недостатком газопоршневого двигателя газотепловоза является то, что подаваемый в цилиндры газ, в отличие от дизельного топлива, может сжиматься и перемешиваться с воздухом, что при работе на средних и больших нагрузках вызывает некачественное смесеобразование, затрудненное воспламенение, и, как следствие, неустойчивую работу двигателя.
Другим недостатком является ограничение по давлению газовоздушной смеси в конце такта сжатия, а также по допустимой степени сжатия (чтобы не допустить детонации), что приводит к снижению цилиндровой мощности и экономичности двигателя.
Примером работы по газодизельному циклу являются газотепловозы ТЭМ18Г, один из которых приписан к депо Свердловск-Сортировочный Свердловской железной дороги, а другой к депо Лихоборы-Окружные Московской железной дороги (см. «Локомотив», 1998, №6, с. 11-13). Конструкция газотепловозов содержит газодизель, передачу, экипажную часть, топливные баки, блок газовых баллонов для заправки сжатым природным газом, газовое и другое вспомогательное оборудование.
Известна также конструкция газотепловоза на дизельном и газообразном топливе см. Патент РФ №2316439 В61С 5/00, В60К 15/073.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является ЧМЭЗГ, также приписанный к депо Лихоборы-Окружные и работающий по газодизельному циклу (см. «Локомотив», 2007, №2, с. 34-35). Особенностью его конструкции является измененное расположение топливных баков и аккумуляторной батареи, при котором в заднем капоте создан дополнительный отсек под газовые баллоны, что позволило увеличить запас газового топлива в 1,35 раза и повысить производительность работы без дозаправки до 3,5-4 суток.
Рабочий процесс газодизеля осуществляется следующим образом. Во время такта впуска поршень в цилиндре перемещается вниз, впускной клапан открыт, выпускной клапан закрыт.В поток воздуха через систему газоподачи поступает природный газ, цилиндр заполняется газовоздушной смесью. Во время такта сжатия, под действием поднимающегося поршня смесь сжимается, из форсунки подается запальная порция дизельного топлива, которая, воспламеняясь от тепла сжатия, поджигает находящуюся в цилиндре газовоздушную смесь. Во время такта рабочего хода смешанное газовое и дизельное топливо сгорает и высвобождается энергия, которая воздействует на поршень и заставляет его двигаться вниз. Во время такта выпуска открывается выпускной клапан и выхлопные газы, под действием поднимающегося поршня, выходят из цилиндра.
Иными словами, работа газодизельного двигателя основана на сжигании в цилиндрах газовоздушной смеси, которая воспламеняется от запальной порции дизельного топлива, подаваемой форсунками и воспламеняемой от сжатия, как и в обычном дизеле и составляющей от 7 до 15% мощности, реализуемой газодизелем на номинальном режиме. При переходе на режимы работы с малой нагрузкой, запальная доля дизельного топлива должна быть снижена пропорционально снижению мощности. Запальная доза топлива на режимах с малой нагрузкой, а также на холостом ходу, может составлять 1/10 от величины на номинальном режиме. Воспламенение малых порций дизельного топлива затруднено, поскольку максимальное соотношение действительного количества воздуха, подаваемого в цилиндр к теоретически необходимому для сгорания топлива, не должно быть выше 1,8…2,0, то есть уменьшение запальной порции имеет ограничения. Для устойчивого воспламенения рабочей смеси на режимах с малой нагрузкой требуется увеличить запальную порцию в два-три раза, а на холостом ходу вообще перейти на дизельный цикл, что очень неэффективно, поскольку доля упомянутых режимов составляет выше 50% от общей работы газотепловоза.
Таким образом, недостатком такого решения является то, что при режимах работы газотепловоза с малой нагрузкой и без нагрузки цикловая подача дизельного топлива и количество газа в воздухе уменьшаются, и рабочий процесс газодизеля теряет устойчивость по причине обеднения газовоздушной смеси и затрудненности ее воспламенения.
Следовательно, и у газового и у газодизельного цикла есть свои преимущества, которые необходимо использовать, и недостатки, которые следует устранить.
Технической задачей данного изобретения является повышение экономичности силовой установки и снижение стоимости жизненного цикла газотепловоза, за счет обеспечения на всех режимах работы газотепловоза требуемой мощности, бесперебойного протекания рабочего процесса силовой установки и стабильной работы топливной аппаратуры.
Поставленная техническая задача решается в газотепловозе с гибридной силовой установкой, содержащем передачу, контроллер машиниста служащий для изменения мощности гибридной силовой установки по позициям, аккумуляторные батареи, экипажную часть, топливные баки, блок газовых баллонов, газовое и другое вспомогательное оборудование.
Отличия газотепловоза с гибридной силовой установкой, согласно предлагаемому техническому решению, состоят в том, что он снабжен -силовой установкой, представляющей собой газомоторный двигатель внутреннего сгорания с гибридной системой воспламенения газовоздушной смеси, в каждом цилиндре которого установлен поршень, впускные и выпускные клапаны, топливные форсунки и система зажигания, включающая установленную в камере сгорания свечу зажигания, управление которой осуществляется от электронной системы, при этом на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на средних и больших нагрузках, газовоздушная смесь в каждом цилиндре воспламеняется от запальной порции дизельного топлива, подаваемого из форсунок, работая по газодизельному циклу, а на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на режимах без нагрузки и с малой нагрузкой газовоздушная смесь в каждом цилиндре воспламеняется от искры, создаваемой свечой зажигания, работая по газовому циклу, при этом подача топлива, подаваемого из форсунок отключается.
Дополнительные отличия состоят в том, что в каждом цилиндре установлена плазменная система зажигания, включающая установленную в камере сгорания свечу зажигания, управление которой осуществляется от электронной системы, при этом на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на режимах без нагрузки и с малой нагрузкой для воспламенения газовоздушной смеси свеча зажигания используется для инициации разряда в систему, поддерживающую разряд через искровой промежуток с образованием плазменного шнура. В результате при на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на малых нагрузках и без нагрузки значительно повышается энергия, вносимая в газовоздушную смесь с 0,05 кДж при обычном зажигании до 0,7-1,2 кДж при плазменном зажигании. Применение плазменного зажигания позволяет сохранить высокую степень сжатия в связи с возможностью большего обеднения рабочей смеси и, следовательно, уменьшения склонности к детонации при сохранении высоких эффективных показателей.
Дополнительные отличия состоят в том, что в каждом цилиндре установлена система зажигания токов высокой частоты, состоящая из установленной в камере сгорания свечи зажигания и генератора высокочастотного тока с усилителем, подключенных к первичной обмотке высоковольтной катушки зажигания, при этом на позициях контроллера, обеспечивающей работу гибридной силовой установки на режимах без нагрузки и с малой нагрузкой для воспламенения газовоздушной смеси, система зажигания токов высокой частоты создает длительный высокочастотный пусковой разряд 5 кГц или 20 кГц, повышая энергию, вносимую в камеру сгорания, что позволит работать на бедных газовоздушных смесях.
Дополнительные отличия состоят в том, что в каждом цилиндре установлена система зажигания токов высокой частоты, включающая (вместо свечи зажигания) установленный в камере сгорания сферический индуктор, при этом на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на режимах без нагрузки и с малой нагрузкой, сферический индуктор осуществляет воспламенение газовоздушной смеси от нагрева ее высокочастотным магнитным полем.
Дополнительные отличия состоят в том, что в каждом цилиндре установлена система зажигания с использованием сверхвысокочастотного излучения, включающая в себя импульсный сверхвысокочастотный генератор с частотой 27 МГц (длина волны 11,1 м), соединенный коаксиальным кабелем или полным волноводом при частоте 30 ГГц (1 см) с излучателем, при этом на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на режимах без нагрузки и с малой нагрузкой, для воспламенения газовоздушной смеси, используется излучатель, который установлен в камере сгорания и выполнен в виде диэлектрической фиксирующей линзы.
Дополнительные отличия состоят в том, что в каждом цилиндре установлена лазерная система зажигания, включающая установленный в камере сгорания источник лазерного излучения, при этом на позициях контроллера, обеспечивающих работу гибридной силовой установки на режимах без нагрузки и с малой нагрузкой, источник лазерного излучения производит фокусирование в определенную точку внутри камеры сгорания, куда подаются мелкодисперсные светопоглощающие частицы, например угольный порошок, которые поглощают лазерное излучение, нагреваются и воспламеняют газовоздушную смесь.
На фиг. 1 представлен общий чертеж газотепловоза; на фиг. 2 - вид сбоку основного блока газовых баллонов, совмещенного с аккумуляторными батареями; на фиг. 3 - вариант размещения оборудования в крышке цилиндра гибридной силовой установки; на фиг. 4 - рабочий цикл гибридной силовой установки на режимах работы со средними и большими нагрузками: такт впуска; на фиг. 5 - то же: такт сжатия; на фиг. 6 - то же: такт рабочего хода; на фиг. 7 - то же: такт выпуска; на фиг. 8 - рабочий цикл гибридной силовой установки на режимах работы без нагрузки и с малыми нагрузками: такт впуска; на фиг. 9 - то же: такт сжатия; на фиг. 10 - то же: такт рабочего хода; на фиг. 11 - то же: такт выпуска.
Газотепловоз с гибридной силовой установкой, представленный на фиг. 1, включает гибридную силовую установку 1 и жестко связанный с ним, посредством коленчатого вала, тяговый генератор 2, которые размещены в средней части рамы 3 газотепловоза, над основным блоком газовых баллонов 4, совмещенным с помещением для аккумуляторных батарей 5 (см. фиг. 2), разделенных между собой герметичной вертикальной перегородкой 6.
Кузов газотепловоза, входящий в состав экипажной части, состоит из четырех частей: передняя часть (на фиг. 1 - слева) образует шахту холодильника 7, в боковых стенках которой размещены секции радиатора 8, а в центре - вентилятор 9 холодильника. Средняя часть кузова - капот 10 - съемная. Она ограничивает машинное отделение - гибридную силовую установку с генератором и вспомогательным оборудованием, в состав которого входит тормозной компрессор 11 и двухмашинный агрегат 12.
К машинному отделению примыкает кабина машиниста 13 с пультом управления 14, на котором установлен контроллер с рукояткой и другие приборы управления, и высоковольтной камерой 15. Последняя часть кузова - задний капот - предназначена для установки дополнительного блока 16 с газовыми баллонами 17. Газотепловоз имеет две одинаковые трехосные тележки 18, на которых установлено по три тяговых электродвигателя 19, входящих в передачу.
Топливные баки 20 снабжены несущими элементами, выполненными в виде проушин, которые крепятся к кронштейнам, приваренным к хребтовым балкам главной рамы тепловоза. К расположенным газовым баллонам 21 (фиг. 1, 2), с двух сторон газотепловоза, подводится трубопровод 22 с обратными клапанами, запорными вентилями и заправочными штуцерами, что позволяет выполнять заправку газом баллонов в баке, с двух сторон.
Газовое оборудование скомпоновано в блоке 23 и размещено с левой стороны, в передней части отсека холодильной камеры. Блок газового оборудования соединяется трубопроводом, расположенным под боковой площадкой (на чертеже не показан), с газовыми баллонами блока 4, а трубопроводом, проложенным сверху кузова, над холодильной камерой и дизельным помещением - с гибридной силовой установкой 1.
На выхлопе гибридной силовой установки установлен искрогаситель 24. Вентиляция кабины машиниста, кожуха над газодизелем, помещения над генератором и компрессором осуществляется с помощью электровентиляторов взрывозащищенного исполнения 25 и 26. Для контроля довзрыво-опасных концентраций природного газа, внутри подкапотного пространства тепловоза, установлены восемь датчиков-сигнализаторов, а в кабине машиниста установлены восемь показывающих приборов-сигнализаторов.
Контроллер машиниста 27, является главным устройством, с помощью которого осуществляется управление газотепловозом. При помощи рукоятки контроллера, машинист приводит в движение газотепловоз, увеличивает или уменьшает мощность, развиваемую гибридной силовой установкой. Рукоятка имеет фиксированные позиции - на маневровых тепловозах с нулевой по восьмую. Нулевая позиция соответствует холостой работе силовой установки, при последующих положениях тепловоз приводится в движение.
На фиг. 3 показана расположенная в гибридной силовой установке крышка 28, присоединенная к цилиндру 29, внутри которого перемещается поршень 30. В центре крышки расположена форсунка 31, осуществляющая подачу в цилиндр запальной порции дизельного топлива. В предлагаемой конструкции рядом с форсункой размещается система зажигания (например, электрическая свеча зажигания) 32, управление которой осуществляется от электронной системы управления зажиганием 33.
2
2
При работе газотепловоза с гибридной силовой установкой, сжатый природный газ поступает из газовых баллонов 17 и 21, расположенных в блоках 4 и 16, через отсечные (разрывные) клапаны, к блоку газового оборудования 23, где последовательно проходит вентиль, газовый фильтр и электромагнитный вентиль к редуктору давления I ступени, где давление газа понижается с 200 до 50 кгс/см. После редуцирования газ нагревается в двух водяных нагревателях и поступает в редуктор давления II ступени, где его давление понижается с 50 до 16 кгс/см. Затем редуцированный газ поступает в регулятор III ступени понижения давления. В этом регуляторе давление газа преобразуется по величине, в зависимости от величины сигналов, поступающих от управляющего регулятора. Далее, из блока газового оборудования 23 газ поступает в гибридную силовую установку 1.
На режимах работы газотепловоза с гибридной силовой установкой со средними и большими нагрузками, с 3-й по 8-ю позиции контроллера машиниста включительно, во время такта впуска поршень 30 в каждом цилиндре 29 (см. фиг. 4) перемещается вниз, впускной клапан 34 открыт, выпускной клапан 35 закрыт.В поток воздуха через систему газоподачи поступает природный газ, цилиндр 29 заполняется воздушной смесью. Во время такта сжатия (см. фиг. 5), под действием поднимающегося поршня 30 смесь сжимается, из форсунки 31 подается запальная порция дизельного топлива, которая воспламеняясь от тепла сжатия, поджигает находящуюся в цилиндре газовоздушную смесь. Во время такта рабочего хода (см. фиг. 6) смешанное газовое и дизельное топливо сгорает и высвобождается энергия, которая воздействует на поршень 30 и заставляет его перемещаться вниз. Во время такта выпуска (см. фиг. 7) открывается выпускной клапан 35, и выхлопные газы, под действием поднимающегося поршня 30 выходят из цилиндра 28.
На режимах работы тепловоза с гибридной силовой установкой без нагрузки и с малыми нагрузками, с 0-й по 2-ю позиции контроллера машиниста включительно используется только газ. Во время такта впуска поршень
30 в каждом цилиндре 29 (см. фиг. 8) перемещается вниз, впускной клапан 34 открыт, выпускной клапан 35 закрыт.В поток воздуха через систему газоподачи поступает природный газ, цилиндр 29 наполняется газовоздушной смесью. Во время такта сжатия (см. фиг. 9), под действием поднимающегося поршня 30 смесь сжимается и затем воспламеняется от искры, которую создает система зажигания 32. Во время такта рабочего хода (см. фиг. 10) газовое топливо сгорает и высвобождается энергия, которая воздействует на поршень 30 и заставляет его перемещаться вниз. Во время такта выпуска (см. фиг. 11) открывается выпускной клапан 35 и выхлопные газы, под действием поднимающегося поршня 30 выходят из цилиндра 28. Топливная форсунка 31 на данных режимах работы газотепловоза отключается.
На режимах работы на дизельном топливе, газотепловоз с гибридной силовой установкой может работать, как и обычный тепловоз, во всем диапазоне мощности с 0-й по 8-ю позиции контроллера машиниста.