СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА

Изобретение относится к машиностроению, а именно к силовым установкам с двигателями внутреннего сгорания, эксплуатируемым и на транспортных средствах, преимущественно на тепловозах.
Известна силовая установка транспортного средства(см. а.с. 1312204 МКл F 02 В 29/04, 1985.), содержащая двигатель внутреннего сгорания, турбокомпрессор, охладитель наддувочного воздуха и контур циркуляции охлаждающего агента, состоящий из испарителя, расширителя и холодильника, причем расширитель установлен в выпускной магистрали.
Недостатком установки является ухудшение условий эксплуатации при изменяющихся погодно-климатпческих воздействиях вследствие поступления всасываемого воздуха различной температуры как во впускной воздухопровод двигателя внутреннего сгорания так и в компрессор тормозной системы.
Известна силовая установка транспортного средства (см. патент РФ № 2845900 МПК F 02 В 29/04, 1994, Бюл. № 4), 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, на котором установлен воздушный фильтр, представляющий собой корпус с нижней конусообразной частью, в которой находится кондепсатоотводчик, в верхней части корпуса размещено суживающееся сопло с входным и выходным отверстиями, при этом на внутренней поверхности сопла выполнены
винтообразные канавки, продольно расположенные от входною до выходного отверстия, а перед выходным отверстием установлена отражательная перегородка.
Недостатком является невысокая эффективность работы компрессора тормозной системы при поступлении атмосферной влаги в виде жидкой фазы при положительных температурах и твердой фазы при отрицательных температурах окружающей среды, что приводит к дополнительным энергозатратам на производство сжатого воздуха и сложности обеспечения безопасности эксплуатации силовой установки в процессе перемещения транспортного средства.
Технической задачей изобретения является снижение энергозатрат, обусловленных отбором приводом компрессора дополнительной мощности от двигателя при производстве сверхнеобходимого сжатого воздуха для тормозной системы в количестве, определяемом величиной его расхода на продувку очищающих и регенерирующих осушивающих устройств, обеспечивающих нормализацию параметров приема энергоносителя, т.е. очистку его от влаги перед поступлением к тормозной системе.
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, на котором 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, с
профилем в виде "ласточкиного хвоста" и продольно расположенные от входного до выходного отверстия, а перед выходным отверстием установлена отражательная перегородка, выполненная из биметалла и состоящая из жестко соединенных пластин, а поплавок-конденсатор через рычаг связан с отражательной перегородкой посредством жестко соединенной тяги.
На фиг.1 представлена принципиальная схема силовой установки.
На фиг.2 - общий вид воздушного фильтра компрессора.
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, состоящий из корпуса с коническим днищем 22, в нижней части которого установлен поплавок-конденсатоотводчик 23, а в верхней части корпуса выполнено устройство в виде суживающегося сопла 24, на внутренней поверхности которого выполнены винтообразные канавки 25, продольно расположенные от входного о отверстия 26 до выходного отверстия 27, напротив которого укреплена отражательная
перегородка 28, состоящая из жестко соединенных пластин, при этом первая пластина 29 со стороны выходного отверстия 27 суживающегося сопла 24 выполнена пористой, а вторая 30 - сплошной, кроме того всасывающий трубопровод 20 соединен с корпусом воздушного фильтра 21.
Силовая установка транспортного средства работает следующим образом.
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 охлаждающего агента в виде легко кипящей жидкости, например фреона или аммиака, по теплообменным аппаратам: холодильнику 11, испарителю 12 с дросселем 1 3 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°С. В расширителе 14 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 хладагента 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) хладагента с низкой температурой поступает в испаритель 12, где испаряется. Так как испаритель 12 выполнен в виде холодной полости охладителя наддувочного воздуха, то атмосферный всасываемый 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 заданных значений но 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. Известно, что поступление охлажденного до оптимальных значений воздуха в цилиндры двигателя внутреннего сгорания повышает эффективность рабочего процесса. По воздухопроводу 20 всасываемый атмосферный воздух поступает к суживающемуся соплу 24 воздушного фильтра 21 компрессора 8.
Наличие расширителя 14 в контуре циркуляции охлаждающего агента обеспечивает его движение по трубопроводу 16 к тепловым аппаратам 11, 12, 13, т.к. расширитель 14 выполняет функцию движущей силы. Наличие расширителя 14 на выходе газа из турбокомпрессоров приводит к необходимости преодоления незначительною 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 1 компенсирует в большей степени отрицательное влияние повышения противодавления на выходе из турбины.
Эксплуатация силовой установки транспортного средства, например, тепловоза в сложных погодно-климатических условиях особенно при
наличии дождя, тумана или метели и снегопада приводит к налипанию непосредственно в зоне работы силовой установки высокой концентрации загрязнений в виде твердых частиц и каплеобразной влаги, как продуктов сгорания в цилиндрах двигателя, так и атмосферных загрязнений в виде пыли и каплеобразной или льдообразной влаги при отрицательных температурах окружающей 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 28 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 перифирии суживающегося сопла 24 и попадают в винтообразные канавки 25 с профилем в виде "ласточкиного хвоста", где продольно перемещаются от отверстия 27 к отверстию 26 и под действием силы тяжести сбрасываются в пылесборник (на фиг. не показано), откуда удаляются автоматически или вручную.
Масса атмосферного воздуха с частично отделенными загрязнениями в суживающемся сопле 24 на выходе из отверстия 27 ударяются об отражательную перегородку 28. Внезапное расширение сопровождается снижением скорости обрабатываемого потока атмосферного всасываемого воздуха, т.е. происходит эффект Джоуля-Томпсона. Термодинамически расслоенный в суживающемся сопле 24 атмосферный всасываемый воздух представляет собой два потока: "холодный" - осевой, насыщенной мелкодисперсной влагой процесса конденсации паров атмосферной влаги, за счет более низкой температуры его по сравнению с окружающей средой и "горячий" - периферийный, насыщенный твердыми загрязнениями,
например пылью и крупнодисперсной жидкостью в случае наличия в окружающей фильтр среде дождя или тумана, снега, инея.
"Холодный" поток представляющий собой ядро атмосферного всасываемою воздуха, выходящего из суживающегося сопла 24 ударяется о пористую перегородку 29 биметаллической отражательной перегородки 28 и мелкодисперсная жидкость, имеющая температуру "холодного" потока, заполняет поры пластины 29, задерживаясь пластиной 30, и образует пятно жидкости. Последующий контакт пят на жидкости с влажным воздухом, имеющим усредненную температуру (происходит частичное смешивание в корпусе фильтра 21 перед отражательной перегородкой 28 "горячего" и "холодного" потоков), превышающую температуру жидкости в порах пластины 29 биметаллической отражательной перегородки 28, приводит к ее испарению. В результате наблюдается дополнительный отбор тепла (при испарении жидкости необходим подвод тепла) от атмосферного всасываемого воздуха в корпусе фильтра 21. Снижение температуры всасываемого воздуха приводит к увеличению его плотности и соответственно увеличению массовой производительности компрессора 8 тормозной системы на 15-20% (см. например, Курчавин В.М., Мезенцев А.П. Экономия тепловой и электрической энергии поршневых компрессоров. М,: -80 с., ил.), т.к. снижение температуры всасываемого атмосферною воздуха на 3"С уменьшает энергозатраты на производство сжатого воздуха на 1%.
Загрязнения в виде не полностью испарившейся влаги и твердых частиц после контакта с отражательной перегородкой 28 под действием силы попадают в конусообразную нижнюю часть 22 воздушного фильтра 21. Наличие жидкости в конусообразной 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 через автоматический конденсатоотводчик 23, т.е. обеспечивается
дополнительная очистка всасываемого воздуха от дополнительных загрязнений.
Оригинальность предлагаемого технического решения заключается в том, что снижение температуры атмосферного всасываемою воздуха, охлажденного не только в охладителе, но и дополнительно охлажденного в воздушном фильтре за счет отбора теплоты на испарение каплеобразной влаги, ударяющейся об пористую пластину отражательной перегородки, обеспечивает снижение энергоемкости производства сжатою воздуха, что в конечном итоге повышает экономичность силовой установки транспортного средства в целом, т.к. наблюдается уменьшение отбираемой от двигателя внутреннего сгорания мощности для работы компрессора по выработке сжатого воздуха заданною объема. Известно, что понижение температуры всасываемою воздуха только на один градус повышает производительность компрессора на 0,3% и при этом устраняется необходимость очистки сжатою воздуха от загрязнения, сопровождаемое его дополнительным расходом на продувку устройств удаления конденсата и регенерацию устройства осушки но мере поступления к потребителям пневмоэнергии в тормозной системе.