СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
VEHICLE POWER PLANT

Изобретение относится к машиностроению, а именно к силовым установкам с двигателями внутреннего сгорания, эксплуатируемым на транспортных средствах, преимущественно на тепловозах.
Известна силовая установка транспортного средства (см. патент №2008459, Россия, МПК F02B 29/04, бюл. №4, 1994), содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, снабженный всасывающим и выхлопным патрубками и сообщенный с впускным и выпускным коллекторами двигателя, охладитель наддувочного воздуха с горячей и холодной полостями и контур циркуляции охлаждающего агента, включающий последовательно установленные испаритель, расширитель и холодильник, компрессор тормозной системы, выполненный с приводом от двигателя и снабженный входным патрубком.
Недостатком является снижение эффективности работы компрессора тормозной системы при высоковероятностном поступлении загрязнений во входной патрубок, обусловленных спецификой эксплуатации, например, тепловозов в сложных погодно-климатических условиях, особенно при туманах, дожде или метелях и снегопадах, когда наблюдается выброс из двигателя внутреннего сгорания газов с примесями копоти в атмосферу с последующим всасыванием ее во входной патрубок компрессора тормозной системы, что приводит к дополнительным энергозатратам на производство сжатого воздуха и обеспечение безопасности эксплуатации силовой установки в процессе перемещения транспортного средства.
Известна силовая установка транспортного средства (см. патент РФ №2169848 МПК F02B 29/04, F02M 35/16, бюл. 18, 2001), содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, снабженный всасывающим и выхлопным патрубками и сообщенный с впускным и выпускным коллекторами двигателя, охладитель наддувочного воздуха с горячей и холодной полостями и контур циркуляции охлаждающего агента, включающий последовательно установленные испаритель, расширитель и холодильник, компрессор тормозной системы, выполненный с приводом от двигателя и снабженный входным патрубком, при этом на входном патрубке компрессора тормозной системы установлен воздушный фильтр, представляющий собой корпус с нижней конусообразной частью, в которой находится конденсатоотводчик, в верхней части корпуса размещено суживающееся сопло с входным и выходным отверстиями, при этом на внутренней поверхности сопла выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного до выходного отверстия, а перед выходным отверстием установлена отражательная перегородка.
Недостатком является энергоемкость, обусловленная необходимостью отбора от двигателя внутреннего сгорания часть мощности для выработки электрической энергии, используемой для освещения машинного отделения кузова тепловоза, что в конечном итоге снижает эксплуатационные показатели транспортного средства.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение эффективности эксплуатации силовой установки за счет более полного использования мощности двигателя внутреннего сгорания на эксплуатационные показатели транспортного средства без отбора энергии на работу генератора по производству электрической энергии, как на дежурное освещение кузова тепловоза, так и на питание системы автоматизации, что достигается использованием термоэлектрическим генератором теплового потенциала выхлопных газов из турбокомпрессоров.
Технический результат достигается тем, что силовая установка транспортного средства содержит двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, снабженный всасывающим и выхлопным патрубками и сообщенный с впускным и выпускным коллекторами двигателя, охладитель наддувочного воздуха с горячей и холодной полостями и контур циркуляции охлаждающего агента, включающий последовательно установленные испаритель, расширитель и холодильник, компрессор тормозной системы, выполненный с приводом от двигателя и снабженный входным патрубком, при этом на входном патрубке компрессора тормозной системы установлен воздушный фильтр, представляющий собой корпус с нижней конусообразной частью, в которой находится конденсатоотводчик, в верхней части корпуса размещено суживающееся сопло с входным и выходным отверстиями, при этом на внутренней поверхности сопла выполнены винтообразные канавки, продольно расположенные от входного до выходного отверстия, а перед выходным отверстием установлена отражательная перегородка, причем выхлопные патрубки двигателя внутреннего сгорания снабжены термоэлектрическим генератором, выполненным в виде корпуса с двумя проходными каналами для выхлопных газов двигателя и всасываемого атмосферного воздуха, а также комплекта дифференциальных термопар, «горячие» концы которых расположены в проходном канале для выхлопных газов, а «холодные» концы расположены в проходном канале для всасываемого атмосферного воздуха, при этом испаритель соединен с всасывающими патрубками турбокомпрессора через эжектор с тройным клапаном, кроме того, вход проходного канала для выхлопных газов соединен с выхлопными патрубками, а его выход с атмосферой, причем вход проходного канала для всасываемого атмосферного воздуха соединен с всасывающими патрубками через тройной клапан, а его выход соединен с камерой смешивания эжектора.
На фиг.1 представлена принципиальная схема силовой установки транспортного средства; на фиг.2 - воздушный фильтр компрессора; на фиг.3 - развертка суживающегося сопла воздушного фильтра.
Установка состоит из двигателя внутреннего сгорания 1, сообщенного выпускным и впускным коллекторами с турбокомпрессорами 2 и 3, каждый из которых имеет всасывающий 4 и 5, и выхлопной 6 и 7 патрубки, компрессора 8 тормозной системы с входным патрубком 9, приводимого в движение двигателем внутреннего сгорания 1 и соединенного с питательной магистралью 10, холодильника 11, испарителя 12 с дросселем 13 и расширителя 14 с обратным клапаном 15, последовательно соединенных между собой трубопроводом 16 с регулирующим вентилем 17. При этом охладитель наддувочного воздуха представляет собой конструкцию, состоящую из двух полостей: горячей полости, соединенной с всасывающими патрубками 4 и 5 воздухопроводами 18 и 19, а с входным патрубком 9 компрессора 8 - воздухопроводом 20, и холодной полости в виде испарителя 12, соединенного через дроссель 13 с регулирующим вентилем 17, а через обратный клапан 15 соединенного с расширителем 14.
На входном патрубке 9 компрессора 8 тормозной системы установлен воздушный фильтр 21 с нижней конусообразной частью 22, включающий конденсатоотводчик 23, а в верхней части воздушного фильтра 21 размещено для впуска атмосферного воздуха суживающиеся сопло 24, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки 25, продольно расположенные от входного его отверстия 26 до выходного отверстия 27, напротив которого укреплена отражательная перегородка 28.
Выхлопные патрубки 6 и 7 двигателя внутреннего сгорания 1 снабжены термоэлектрическим генератором 29, выполненным в виде корпуса 30 с проходным каналом 31 для выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания 1 и с проходным каналом 32 для всасываемого атмосферного воздуха, и комплекта дифференциальных термопар 33.
«Горячие» концы 34 комплекта дифференциальных термопар 33 расположены внутри проходного канала 31 для выхлопных газов, а «холодные» концы 35 расположены внутри проходного канала 32 для всасываемого атмосферного воздуха после испарителя 12. При этом испаритель 12 соединен с всасывающими патрубками 4 и 5 через эжектор 36 и тройной клапан 37. Вход 38 проходного канала 31 для выхлопных газов соединен с выхлопными патрубками 6 и 7, а выход 39 соединен с атмосферой, при этом вход 40 проходного канала 32 для всасываемого атмосферного воздуха после испарителя 12 соединен с всасывающими патрубками 4 и 5 через тройной клапан 37, а выход 41 проходного канала 32 соединен с камерой смешивания 42 эжектора 36.
Силовая установка транспортного средства работает следующим образом.
В процессе эксплуатации двигателя внутреннего сгорания температура отработанных газов на выходе из выхлопных патрубков 6 и 7 после расширителя 14 имеет значение около 400°C и часть данного потока, поступая через вход 38 в проходной канал 31 корпуса 30 термоэлектрического генератора 29, контактирует с «горячими» концами 34 комплекта дифференциальных термопар 33, после чего через выход 39 проходного канала 31 выбрасывается в атмосферу.
Одновременно от испарителя 12 через эжектор 36 и тройной клапан 37 часть всасываемого атмосферного воздуха поступает через вход 40 в проходной канал 32 корпуса 30 термоэлектрического генератора 29 и контактирует с «холодными» концами 35 комплекта дифференциальных термопар 33. Далее через выход 41 проходного канала 32 корпуса 30 термоэлектрического генератора 29 всасываемый атмосферный воздух поступает в камеру смешивания 42 эжектора 36 и уже в качестве компонента смеси с охлажденным после эжектора 12 основным потоком всасываемого атмосферного воздуха направляется к всасывающим патрубкам 4 и 5.
При наличии в условиях эксплуатации силовой установки транспортного средства перепада температур на «горячем» и «холодном» концах (от 400°C до температуры атмосферного воздуха) и при использовании в качестве термопар, например, хромель-копеля позволяет получать термо-ЭДС до 6,96 мВ (см., например, Иванова, Г.М. Теплотехнические измерения и приборы. М.: Энергоатомиздат, 1984. 230 с.). А это позволяет получить напряжение на выходе термоэлектрического генератора 29 в пределах 12÷36 В (см., например, Технические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. Справочник / Под. общ. ред. В.М. Зорина. М.: Энергоатомиздат, 1980. 560 с.), что вполне хватает для дежурного освещения в кузове транспортного средств, например, тепловоза и не требует отбора электроэнергии с генератора, использующего мощность двигателя внутреннего сгорания 1 для выработки электрической энергии для систем автоматизации и контроля и схем управления оборудованием. Следовательно, достигается более полное использование мощности двигателя внутреннего сгорания для эксплуатационных показателей транспортного средства без затрат на дежурное освещение кузова тепловоза.
При отклонении в сторону увеличения от задаваемой условиями эксплуатации температуры воздуха, всасываемого турбокомпрессорами 2, 3 и компрессором 8 тормозной системы, включается регулирующим вентилем 17 технологическая схема его охлаждения. В результате обеспечивается возможность циркуляции с охлаждающего агента в виде легкокипящей жидкости, например фреона или аммиака, по теплообменным аппаратам: холодильнику 11, испарителю 12 с дросселем 13 и расширителю 14 с обратным клапаном 15, последовательно соединенных между собой трубопроводом 16 с регулирующим вентилем 17.
В процессе работы двигателя внутреннего сгорания 1 выхлопные газы из турбокомпрессоров 2 и 3 по выхлопным патрубкам 6 и 7 поступают в расширитель 14, где передают часть тепла влажным парам охлаждающего агента. В результате теплообмена (известно, что температура отработанных газов после их расширения в турбокомпрессоре достигает 400°C) в расширителе охлаждающий агент превращается в перегретый пар, т.е. осуществляется процесс его интенсивного расширения в данном теплообменном аппарате. Перегретый пар охлаждающего агента с возросшим давлением поступает в холодильник 11 (обратный клапан 15 предотвращает поступление перегретого пара хладоагента в испаритель 12), где охлаждается при постоянном давлении под воздействием теплообмена с атмосферным воздухом. Охлаждение паров охлаждающего агента в холодильнике 11 происходит до образования конденсата. Затем полученный конденсат проходит через регулируемый вентиль 17 и дроссель 13, в котором дросселируется, что сопровождается понижением температуры и давления. Из дросселя 13 легкокипящая жидкость (конденсат) хладоагента с низкой температурой поступает в испаритель 12, где испаряется. Так как испаритель 12 выполнен в виде холодной полости охладителя наддувочного воздуха, то атмосферный воздух, поступающий в горячую полость охладителя, контактирует с поверхностью испарителя 12, отбирая тепло процесса испарения охлаждающего агента. В результате осуществляется снижение температуры атмосферного воздуха в горячей полости охладителя до оптимально задаваемых значений по условиям эксплуатации силовой установки транспортного средства. Охлажденный воздух в качестве наддувочного поступает по воздухопроводам 18 и 19 через всасывающие патрубки 4 и 5 к турбокомпрессорам 2 и 3 двигателя внутреннего сгорания 1, а по воздухопроводу 20 всасываемый атмосферный воздух поступает к суживающемуся соплу 24 воздушного фильтра 21 компрессора 8. Известно, что поступление охлажденного (до оптимальных значений) воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания повышает эффективность рабочего процесса.
Наличие расширителя 14 в контуре циркуляции охлаждающего агента обеспечивает его движение по трубопроводу 16 и тепловым аппаратам 1, 12 и 13, т.к. расширитель 14 выполняет функцию движущий силы. Наличие расширителя на выходе газа из турбокомпрессоров приводит к необходимости преодоления незначительного дополнительного гидравлического сопротивления (использование в качестве расширителя 14, например, пластинчатого теплообменного аппарата с более низким гидравлическим сопротивлением по сравнению с известными теплообменными аппаратами), однако улучшение процесса сгорания топлива в двигателе внутреннего сгорания компенсирует в большей степени отрицательное влияние повышения противодавления на выходе из турбины.
Эксплуатация силовой установки транспортного средства, например, тепловоза в сложных погодно-климатнческих условиях, особенно при наличии дождя, тумана или метели и снегопада приводит к наличию непосредственно в зоне работы силовой установки высокой концентрации загрязнений в виде твердых частиц и каплеобразной влаги, как продуктов сгорания d цилиндрах двигателя, так и атмосферных загрязнений в виде пыли и каплеобразной или льдообразной влаги при отрицательных температурах окружающий среды. В результате в процессе всасывания атмосферного воздуха данные загрязнения поступают в горячую полость охладителя и далее по воздухопроводу 20 к суживающемуся соплу 24 воздушного фильтра 21. Атмосферный воздух, входя во входное отверстие 26 суживающегося сопла 24, перемещается по винтообразным канавкам 25 и закручивается, образуя вихревой поток на выходе из отверстия 27. В результате завихрения массы атмосферного воздуха с загрязнениями в виде пыли и каплеобразной влаги последние под действием центробежных сил отбрасываются к периферии суживающегося сопла 24 и попадают в винтообразные канавки 25, где продольно перемещаются от отверстия 27 к отверстию 25 и под действием силы тяжести сбрасываются в пылесборник (не показано), откуда удаляются автоматически или вручную. Масса атмосферного воздуха с частично отделенными загрязнениями в суживающимся сопле 24 на выходе из отверстия 27 ударяется об отражательную перегородку 28 и огибает ее, направляясь по патрубку 9 в компрессор 8 тормозной системы. Загрязнения после контакта с отражательной перегородкой 28 под действием силы тяжести падают в конусообразную нижнюю часть 22 воздушного фильтра 21. Наличие жидкости в конусообразной нижней части 22, обусловленное поступлением каплеобразной влаги с атмосферным воздухом после удара об отражательную перегородку 28, приводит к смачиванию твердых частиц в конусообразной нижней части 22 с последующим их удалением, т.е. обеспечивается дополнительная очистка всасываемого воздуха от твердых загрязнений.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что используется тепловой потенциал выхлопных газов после расширителя на получение электрической энергии, например, для дежурного освещения кузова тепловоза, что, как известно по прототипам, требует дополнительного отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания на работу генератора, а это в конечном итоге ухудшает эксплуатационные показатели силовой установки транспортного средства.