СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОДАЧИ ГАЗООБРАЗНОГО ТОПЛИВА В ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
METHOD AND DEVICE FOR GAS-FUEL SUPPLY IN INTERNAL COMBUSTION ENGINE

Область техники
Настоящая заявка относится к подаче газообразного топлива из бака с газообразным топливом, установленного на тендере, в двигатель внутреннего сгорания тепловоза для последующего сожжения.
Уровень техники
С начала 1980-х годов было запущено несколько исследовательских проектов и демонстрационных программ с целью изучению возможности использования природного газа в качестве топлива для тепловозов. Первоначально ставилась задача определить, можно ли добиться снижения вредных выбросов в атмосферу в сравнении с дизельными тепловозами с сохранением мощности на прежнем уровне. Эти усилия были обусловлены изменениями в нормах выбросов тепловозов, разработанных Министерством охраны окружающей среды США (ЕРА), для которых в 1997 году ЕРА установила уровень 0, 1 и 2, а недавно - в 2008 году - уровни 3 и 4. Как уровень 3, так и уровень 4 существенно ограничивают нормы выброса твердых частиц (ТЧ) и оксидов азота (NOx) дизельными двигателями. Во всех исследованиях был задействован лишь один тип серийно производимых, испытанных и хорошо зарекомендовавших себя магистральных тепловозов на природном газе, в которых применяется технология впрыска под низким давлением. В докладе под названием «Оценка тепловозов на природном газе», опубликованном в ноябре 2007 года компаниями «БНСФ Рэйлвей» (BNSF Railway Company), «Юнион Пасифик» (UPRR) и Ассоциацией американских железных дорог (известных вместе как «железнодорожные компании»), а также Экологической ассоциацией Калифорнии (California Environmental Associates), была представлена позиция железнодорожных компаний по тепловозам, работающим на природном газе. Железнодорожные компании пришли к выводу, что - за исключением некоторых узких сфер применения - природный газ не может быть использован в качестве топлива для тепловозов, удовлетворяя при этом возрастающим требованиям к ограничению выбросов и эффективности работы. Такая позиция была сформулирована на основании оценки эксплуатации одного известного магистрального тепловоза на природном газе, серийно производимого в Северной Америке. В этом тепловозе был использован комплект оборудования для переделки двухтактного дизельного двигателя EMD 645, который позволяет тепловозу использовать сжиженный природный газ (СПГ) в качестве основного рабочего топлива, а дизельное топливо - в качестве экспериментального топлива. Сжиженный природный газ испаряется и впрыскивается под низким давлением (85-125 фунтов/кв. дюйм) таким образом, что во время компрессии воздух смешивается с топливом. Затем небольшая порция дизельного «экспериментального» топлива впрыскивается в цилиндр в его верхней части, где происходит самовоспламенение, что содействует сгоранию.
В некоторых из исследовательских проектов и демонстрационных программ были использованы технологии впрыска под высоким давлением, где в цикле сжатия впрыск природного газа, выступающего в качестве топлива, происходит позже. В 1992 году компания UPRR приступила к реализации отдельных программ по двум вышеописанным технологиям с использованием систем компаний Electro Motive Diesel (EMD) и GE Transportation (GE) с целью изучения возможности применения природного газа в двигателях магистральных тепловозов высокой мощности. Это была грандиозная многолетняя программа, в ходе реализации которой компания UPRR потратила свыше 15 млн. долл. США, разрабатывая базовые технологии в области двигателестроения и систем подачи топлива. Значения давления впрыска природного газа в системах EMD и GE лежали в пределах 3000-4500 фунтов/кв. дюйм. Тепловозы, отдельно разработанные компаниями EMD и GE, оказались нерентабельными из-за технических ограничений. Среди технических трудностей, которые возникли во время реализации указанных программ, можно назвать неполадки с газовыми инжекторами и насосами перекачки криогенного СПГ между баками тендера и тепловозами, сбои программного обеспечения системы управления двигателем и программного обеспечения системы управления переходом топлива в газообразное состояние, а также протечки на стыках топливной системы.
Комплект оборудования для переделки двигателя EMD 645 был разработан в рамках проекта, начатого компанией Burlington Northern Railroad (BN) в 1987 году, который реализовывался по двум основным направлениям: разработка газозаправочной инфраструктуры и разработка магистральных тепловозов, способных работать на природном газе. В отношении топливозаправочной инфраструктуры BN сотрудничала с компанией Air Products and Chemicals (АРС), разрабатывая систему расположения точек заправки и тендеры, снабженные криогенными баками, которые могли бы способствовать использованию охлажденного жидкого метана (ОЖМ) - формы сжиженного природного газа высокой степени чистоты - в качестве топлива для тепловозов. В докладе, озаглавленном «СПГ как топливо для локомотивов: Оценка развития технологий и экономических показателей», который был опубликован в 1993 году Научно-исследовательским институтом газа, Боб Киркленд из компании АРС указывает, что перевод СПГ в газообразное состояние на тепловозах или тендерах вполне возможно. «Так как для перекачки жидкости требуется меньше энергии, чем для сжатия газа, то - по всей вероятности - тендеры новой конструкции будут способны подавать жидкое топливо на насос, расположенный на тепловозе перед испарителем. По словам Боба Киркленд из компании Air Products подавать жидкость под высоким давлением из тендера на тепловоз практически нереально. Такое техническое решение предусматривает наличие длинных трубопроводов высокого давления, а также дополнительного оборудования между тепловозом и тендером для запитки насоса».
Исходя из выводов железнодорожных компаний и результатов указанных научно-исследовательских и демонстрационных проектов, очевидно, что последний цикл, т.е. прямой впрыск природного газа под высоким давлением в двигатель тепловоза, реализовать не просто. Существует несколько технических проблем, тормозящих появление на рынке устройства для магистральных тепловозов, работающих на природном газе, которое могло бы решить проблему выбросов и снизить их уровень за счет использования так называемых чистых технологий использования дизельного топлива в тепловозах.
Устройство и способ, описанные в настоящем изобретении, обеспечивают улучшенную технологию подачи газообразного топлива из бака газообразного топлива, установленного на тендере, в двигатель внутреннего сгорания тепловоза для последующего сожжения.
Сущность изобретения
Предлагается усовершенствованный способ подачи газообразного топлива из тендера в двигатель внутреннего сгорания тепловоза, включая хранение топлива при сверхнизкой температуре в криогенном баке на тендере; нагнетание топлива из криогенного бака до первого давления; перевод топлива в газообразное состояние под первым давлением; и подачу топлива, переведенного в газообразное состояние из указанного тендера, в двигатель внутреннего сгорания; при этом давление паров газообразного топлива лежит в диапазоне 310-575 бар. В качестве газообразного топлива может быть использован природный газ, метан или иные углеводородные газы. Описанный способ предусматривает также аккумулирование паров газообразного топлива с тем, чтобы можно было уменьшить колебания давления газообразного топлива при изменении режима работы двигателя внутреннего сгорания. Массовый расход топлива в двигателе внутреннего сгорания лежит в диапазоне 7-600 кг/час. Объем накопленных паров газообразного топлива находится в пределах 50-200 литров. Кроме того, этот способ включает получение предупреждения о предстоящих изменениях в режиме работы двигателя внутреннего сгорания и выполнение, по меньшей мере, одной упреждающей подкачки газообразного топлива с целью повышения давления его паров; увеличение скорости нагнетания газообразного топлива для повышения давления его паров; и снижение скорости нагнетания газообразного топлива для уменьшения колебаний давления, выходящих за пределы заданного порога. При таком способе отходящее тепло из двигателя внутреннего сгорания может быть перенесено в газообразное топливо под первым давлением, вследствие чего происходит испарение этого газообразного топлива. Отходящее тепло может быть перенесено из жидкости для охлаждения двигателя в жидкий теплоноситель, благодаря чему жидкий теплоноситель может переносить тепло в газообразное топливо под первым давлением. Жидкий теплоноситель может нагреваться дополнительным источником тепла, в качестве которого может выступать газовый котел или электронагреватель. Если дополнительным источником тепла служит газовый котел, то указанный котел генерирует тепло путем сжигания газообразного топлива из криогенного бака; при этом сожженное газообразное топливо может отводиться как отдувочный газ. Помимо прочего, описываемый способ предусматривает уменьшение подачи паров газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания в результате снижения его давления ниже заданного порогового значения.
Кроме того, описываемый способ предусматривает подачу воздуха низкого давления из системы подачи сжатого воздуха на тепловозе в тендер; наддув воздуха низкого давления с превращением его в воздух высокого давления; подачу воздуха высокого давления на тепловоз; и составление газовоздушной топливной смеси путем смешивания паров газообразного топлива с воздухом высокого давления на тепловозе. Газовоздушная топливная смесь поступает непосредственно в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Пары газообразного топлива могут подаваться на тепловоз в виде газовоздушной топливной смеси. Описываемый способ также предусматривает подачу воздуха низкого давления из системы подачи сжатого воздуха на тепловозе в тендер; наддув воздуха низкого давления с превращением его в воздух высокого давления на тендере; и образование газовоздушной топливной смеси путем смешивания паров газообразного топлива с воздухом высокого давления на тендере. Газовоздушная топливная смесь поступает непосредственно в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Кроме того, описываемый способ предусматривает наддув воздуха низкого давления с превращением его в воздух высокого давления на тепловозе; и образование газовоздушной топливной смеси путем смешивания паров газообразного топлива с воздухом высокого давления также на тепловозе. Газовоздушная топливная смесь поступает непосредственно в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Усовершенствованное устройство подачи газообразного топлива с тендера в двигатель внутреннего сгорания на тепловозе включает криогенный бак на указанном тендере, предназначенный для хранения газообразного топлива при сверхнизкой температуре; первый насос, предназначенный для перекачки указанного газообразного топлива под первым давлением из указанного криогенного бака; первый теплообменник, в котором осуществляется перевод указанного топлива под первым давлением в газообразное состояние; трубопровод, предназначенный для подачи паров указанного газообразного топлива из указанного первого теплообменника в указанный двигатель внутреннего сгорания; датчик давления, функционально связанный с указанным трубопроводом, и предназначенный для измерения давления указанных паров газообразного топлива; и криогенный регулятор, функционально связанный с указанным первым насосом и указанным датчиком давления, и запрограммированный на получение сигналов с указанного датчика давления, отражающих фактическое давление указанных паров газообразного топлива, а также на управление указанным первым насосом с целью поддержания указанного давления указанных паров газообразного топлива в пределах 310-575 бар. Трубопровод рассчитан на скопление паров газообразного топлива в объеме 50-200 литров. В альтернативном варианте может быть предусмотрен соединенный с трубопроводом накопитель объемом 50 - 200 литров, предназначенный для аккумулирования паров газообразного топлива. Предусмотрен также регулятор работы двигателя, предназначенный для управления работой двигателя внутреннего сгорания. Регулятор работы двигателя запрограммирован на передачу предупреждения об изменениях режима работы двигателя внутреннего сгорания на криогенный регулятор. Криогенный регулятор, в свою очередь, запрограммирован на изменение режима работы первого насоса в ответ на получение указанного предупреждения. Криогенный регулятор дает задание первому насосу на повышение первого давления, когда предупреждение говорит о предстоящем повышении массового расхода паров газообразного топлива. Криогенный регулятор дает задание первому насосу на снижение скорости нагнетания, когда указанное предупреждение говорит о предстоящем снижении массового расхода указанных паров газообразного топлива. Между первым теплообменником и трубопроводом предусмотрен отсечный клапан. Отсечный клапан сокращает или, в предпочтительном варианте, исключает подачу паров газообразного топлива в трубопровод, когда дифференциальное давление на указанном клапане достигает заданного порогового значения. Описываемое устройство также включает емкость для жидкого теплоносителя; насос для перекачки теплоносителя, функционально соединенный с емкостью для жидкого теплоносителя; и второй теплообменник, в который насос для перекачки теплоносителя подает жидкий теплоноситель под давлением, и который способен переносить отходящее тепло из жидкости для охлаждения двигателя внутреннего сгорания в жидкий теплоноситель с тем, чтобы жидкий теплоноситель циркулировал по первому теплообменнику, в результате чего происходит испарение газообразного топлива под первым давлением. Может быть предусмотрен дополнительный источник тепла, предназначенный для нагрева жидкого теплоносителя. Дополнительный источник тепла может представлять собой газовый котел или электронагреватель. Газовый котел генерирует тепло за счет сжигания газообразного топлива из криогенного бака; при этом сожженное газообразное топливо может отводиться как отдувочный газ. Предусмотрен также перекачивающий насос, используемый для перекачки газообразного топлива из криогенного бака с доведением давления газообразного топлива до промежуточного значения, которое ниже значения первого давления. Первый насос предназначен для повышения промежуточного давления газообразного топлива до первого давления. В криогенном баке предусмотрено отверстие, а перекачивающий насос содержит напорный патрубок и выпускной патрубок. Перекачивающий насос установлен в отверстии бака таким образом, что его напорный патрубок находится внутри криогенного бака. В альтернативных вариантах осуществления настоящего изобретения описываемое устройство включает дополнительную емкость, соединенную с криогенным баком. В дополнительной емкости предусмотрено отверстие, а перекачивающий насос содержит напорный патрубок и выпускной патрубок. Перекачивающий насос установлен в указанном отверстии таким образом, что его напорный патрубок находится внутри дополнительной емкости. В качестве газообразного топлива может выступать природный газ или метан.
Устройство может включать в себя систему подачи воздуха низкого давления, расположенную на тепловозе. Многоступенчатое устройство сжатия на тендере преобразует воздух низкого давления в воздух высокого давления. Воздух низкого давления подается в многоступенчатое устройство сжатия по второму трубопроводу. Смесительный аппарат на тепловозе формирует газовоздушную топливную смесь путем смешивания воздуха высокого давления с парами газообразного топлива. Воздух высокого давления поступает в смесительный аппарат из многоступенчатого устройства сжатия по третьему трубопроводу. Газовоздушная топливная смесь поступает непосредственно в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Пары газообразного топлива могут подаваться на тепловоз по трубопроводу в виде газовоздушной смеси. Описываемое устройство включает систему подачи воздуха низкого давления на тепловозе. Многоступенчатое устройство сжатия на тендере преобразует воздух низкого давления в воздух высокого давления. Воздух низкого давления подается в многоступенчатое устройство сжатия по второму трубопроводу. Смесительный аппарат на тендере формирует газовоздушную топливную смесь путем смешивания воздуха высокого давления с парами газообразного топлива. Газовоздушная топливная смесь поступает непосредственно в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Устройство может включать в себя систему подачи воздуха низкого давления, расположенную на тепловозе. Многоступенчатое устройство сжатия на тепловозе преобразует воздух низкого давления в воздух высокого давления. Смесительный аппарат на тепловозе формирует газовоздушную топливную смесь путем смешивания воздуха высокого давления с парами газообразного топлива. Газовоздушная топливная смесь поступает непосредственно в камеры сгорания двигателя внутреннего сгорания.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показан схематический вид устройства подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 2 показано одно из наглядных изображений тендера согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленному на фиг. 1;
На фиг. 3 показано одно из наглядных изображений тендера согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленному на фиг. 1;
На фиг. 4 показано одно из наглядных изображений тендера согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленному на фиг. 1;
На фиг. 5 показан схематический вид устройства подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 6 показан схематический вид устройства подачи газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения;
На фиг. 7 показано одно из наглядных изображений тендера согласно варианту осуществления настоящего изобретения, представленному на фиг. 1;
На фиг. 8a показан схематический вид объединения одного тендера с двумя тепловозами;
На фиг. 8b показан схематический вид объединения одного тендера с тремя тепловозами;
На фиг. 8c показан схематический вид объединения трех тендеров с тремя тепловозами.
Подробное описание изобретения
На фиг. 1 показано топливное устройство 10 для подачи газообразного топлива из тендера 20 в двигатель внутреннего сгорания 30 тепловоза 40. Тендер 20, соединенный с тепловозом 40, и водимый указанным тепловозом, подает газообразное топливо на сжигание в двигателе 30. Криогенный бак 50 представляет собой бак, выполненный по требованиям ISO, который служит для хранения газообразного топлива при сверхнизких температурах в жидкой фазе. В контексте настоящего документа под газообразным топливом понимается любое топливо, находящееся в газовой фазе при стандартной температуре и давлении. На проиллюстрированном примере газообразное топливо, хранящееся в баке 50, представляет собой СПГ, но в других вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве газообразного топлива может быть использован охлажденный жидкий метан (ОЖМ) или иные виды углеводородного топлива. Бак 50, из которого на двигатель 30 подается газообразное топливо, надежно закреплен на тендере 20; при этом указанный бак выполнен съемным, что позволяет заменить пустой бак полным. Бак 50 содержит заправочный штуцер и разгрузочный клапан, предназначенный для сброса давления в баке в случае, если значение давления превысит заданный максимально допустимый уровень. Электронный криогенный регулятор 140 взаимодействует с баком 50 с целью получения информации об объеме СПГ, оставшегося в баке; при этом такая информация может включать в себя данные об уровне СПГ в баке, давлении паров в баке и температуре СПГ в баке. На проиллюстрированном примере криогенный регулятор 140 представляет собой компьютер, содержащий процессор и устройства памяти, в том числе постоянное запоминающее устройство, такое как флэш-память или ЭСППЗУ, а также временную память, такую как SRAM или DRAM, которые предназначены для хранения и выполнения определенной программы.
Насос 60 жидкого топлива низкого давления перекачивает СПГ под низким давлением из бака 50 в насос 70 жидкого топлива высокого давления в системе 80 подачи газа высокого давления. В контексте настоящего документа под газом понимается газообразное топливо. Как можно видеть, на проиллюстрированном примере насос 60 низкого давления расположен между баком 50 и насосом 70 высокого давления. В прочих вариантах осуществления настоящего изобретения насос 60 может располагаться полностью внутри бака 50; в альтернативном варианте он может быть расположен в отверстии бака таким образом, что нагнетательный патрубок насоса находится в баке, а выпускной патрубок - снаружи бака. Вспомогательная емкость, соединенная с баком 50, также может быть снабжена отверстием. Вспомогательная емкость соединяет бак 50 с насосом 60 таким образом, что вспомогательная емкость полностью заполняется сжиженным природным газом из бака 50, а нагнетательный патрубок насоса погружен в СПГ во вспомогательной емкости. Целесообразно расположить насос 60 низкого давления так, чтобы в нем могла эффективно поддерживаться рабочая температура, и так, чтобы к нему был обеспечен удобный доступ для проведения технического обслуживания. Рабочая температура для насоса 60 приближается к температуре кипения криогенной жидкости (СПГ), благодаря чему жидкость не испаряется при повышении давления в насосе от нагнетательного патрубка до выпускного патрубка. Для получения желательных преимуществ предпочтительно, чтобы насос 60 располагался в отверстии бака. Однако иные факторы, такие как эксплуатационная совместимость с существующими баками, выполненными по стандартам ISO, могут потребовать установки насоса 60 в других местах. В других вариантах осуществления настоящего изобретения насос 60 и вспомогательная емкость могут располагаться сверху системы 80 подачи газа высокого давления. В некоторых прочих вариантах осуществления настоящего изобретения насос 60 не нужен, поскольку СПГ из бака 50 поступает на насос 70 напрямую. Еще в некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения насос 70 может быть расположен в пределах еще одной вспомогательной емкости, которая заполняется сжиженным природным газом, или непосредственно из бака 50, или через насос 60.
Насос 70 высокого давления нагнетает СПГ, поступающий из насоса 60 низкого давления, и подает жидкое топливо под давлением в теплообменник 90, в котором СПГ переводится в газообразную фазу. Из теплообменника 90 газообразное топливо поступает в двигатель 30 по трубопроводу 100, через электромагнитный клапан ПО и далее по трубопроводу 120. Электронный криогенный регулятор 140 взаимодействует с датчиком давления 150 с целью получения информации о давлении газообразного топлива в трубопроводе 120 и выдает рабочие команды насосам 60 и 70, которые обеспечивают поддержание давления в трубопроводе 120 на заранее заданном пороговом уровне. Давление газообразного топлива в трубопроводе 120 поддерживается в пределах от 310 бар (~ 4500 фунтов/кв. дюйм) до 575 бар (~ 8340 фунтов/кв. дюйм), что охватывает диапазон значений давления впрыска для топливных форсунок прямого впрыска (не показаны) двигателя 30. Давление впрыска в пределах этого диапазона позволяет массовому расходу газообразного топлива удовлетворять требованиям к двигателю 30 в части его работы с полной нагрузкой. Кроме того, по мере повышения давления впрыска происходит уменьшение выбросов, в частности, твердых частиц (ТЧ).
Клапаном ПО управляет регулятор 140, который открывает и закрывает указанный клапан в зависимости от режима работы и наличия неисправностей, что обеспечивает или блокирует поступление газообразного топлива в трубопровод 120. Клапан 110 выступает также в роли автоматического отсечного клапана (без команды с регулятора 140), срабатывающего тогда, когда перепад давления перед клапаном ПО и за ним достигает заданного значения, в результате чего подача газообразного топлива по трубопроводу 120 уменьшается, сводится к минимуму или, в предпочтительном варианте, вообще прекращается. Это дает эффект в ситуациях, когда тендер 20 неожиданно отцепляется от тепловоза 40, соединенного с тендером 140 трубопроводом 120. В этом случае давление в трубопроводе 120 резко упадет, тогда как дифференциальное давление на клапане ПО превысит заданное значение. В прочих вариантах осуществления настоящего изобретения клапан ПО может представлять собой двойной клапан; при этом один клапан управляется командами регулятора 140 на открытие или закрытие, а другой закрывается автоматически, исходя из перепада давления на впуске и выпуске.
На тендере 20 предусмотрена и иная арматура (не показана) с пневматическим приводом. Система подачи сжатого воздуха (не показана) может быть установлена на тепловозе 40, на тендере 20 или в системе 80 газообразного топлива высокого давления. Электромагнит клапана ПО может служить приводом клапана, который регулирует расход газообразного топлива напрямую, или клапана, регулирующего подачу сжатого воздуха в другой клапан, который регулирует расход газообразного топлива.
Система подачи сжатого воздуха может быть использована для обогащения газообразного топлива перед его непосредственной подачей в камеры сгорания двигателя 30 на тепловозе 40. Газовоздушная топливная смесь обеспечивает улучшенный коэффициент избытка воздуха в топливных струях, впрыскиваемых в камеры сгорания двигателя 30, в результате чего улучшаются характеристики сгорания и уменьшаются выбросы. Существует множество способов формирования газовоздушной топливной смеси, некоторые из которых описаны в одновременно рассматриваемой родственной заявке Заявителя на патент Канады под заголовком «Прямой впрыск обогащенного воздухом газообразного топлива в двигатель внутреннего сгорания», поданной 17 декабря 2012 года, содержание которой полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки. Один из таких способов предусматривает, что воздух из системы подачи сжатого воздуха на тепловозе 40 далее сжимается до высокого давления в многоступенчатом устройстве сжатия на тепловозе 40. Давление воздуха, поступающего из системы подачи сжатого воздуха, составляет около 6 бар, что считается низким давлением. Воздух высокого давления из многоступенчатого устройства сжатия характеризуется давлением в пределах 155-575 бар, в зависимости от способа смешивания воздуха с газообразным топливом и требуемого давления впрыска газовоздушной топливной смеси. Воздух высокого давления смешивается с газообразным топливом из трубопровода 120 в смесительном аппарате на тепловозе 40, после чего газовоздушная топливная смесь подается непосредственно в камеры сгорания двигателя 30. При другом способе воздух из системы подачи сжатого воздуха на тепловозе 40 поступает в многоступенчатое устройство сжатия, которое в данном случае предусмотрено в системе 80 подачи газа высокого давления на тендере 20. В многоступенчатом устройстве сжатия воздух сжимается до высокого давления. При этом способе смесительный аппарат может располагаться в системе 80 таким образом, чтобы газовоздушная топливная смесь поступала на тепловоз 40 по трубопроводу 120. В альтернативном варианте указанный смесительный аппарат может быть расположен на тепловозе 40 так, как это предусмотрено предыдущим способом; при этом газообразное топливо идет по трубопроводу 120, а воздух высокого давления поступает в смесительный аппарат на тепловозе 40 по другому трубопроводу.
Для двигателя 30, работающего с полной нагрузкой, требуемый максимальный массовый расход очень высок; и он может составлять, к примеру, около 600 кг/час. Для сравнения требуемый расход двигателя 30 на холостом ходу намного меньше: например, 7 кг/час. В зависимости от режима работы мгновенный массовый расход может существенно меняться в диапазоне от максимального расхода до расхода холостого хода. Во избежание чрезмерных колебаний давления в трубопроводе 120, которые приводят к ухудшению параметров сгорания и стабильности работы двигателя, к трубопроводу 120 подсоединен накопитель 130, который действует в качестве газового буфера, гасящего колебания давления, которые возникают при изменении требуемой величины мгновенного массового расхода для двигателя 30. Исходя из требуемого массового расхода для двигателя 30, накопитель 130 содержит объем буферного газа в пределах 50-200 литров. В других вариантах осуществления настоящего изобретения накопитель 130 может быть заменен трубопроводом 100 и/или трубопроводом 120 соответствующих размеров.
Теперь вернемся к теплообменнику 90 и подробнее опишем его работу. Емкость 160 содержит жидкий теплоноситель, например, гликоль, который циркулирует в теплообменнике 90 и испаряет СПГ. Жидкий теплоноситель пропускается через теплообменник 170 с помощью насоса 180 для переноса тепла, в результате чего повышается температура отходящего тепла охлаждающей жидкости из двигателя 30. Охлаждающая жидкость из двигателя 30 переносится по трубопроводу 190 и циркулирует в теплообменнике 170, из которого она возвращается в двигатель. Жидкий теплоноситель подается по трубопроводу 200 в систему 80 подачи газа высокого давления, где он циркулирует по теплообменнику 90 и переносит тепло, испаряя СПГ. В зависимости от того, насколько изменяется мгновенный массовый расход в двигателе 30 с учетом изменения режима его работы, отходящего из двигателя 30 тепла может оказаться недостаточно для работы теплообменника 90 по испарению СПГ с полной нагрузкой. В такой ситуации повысить температуру жидкого теплоносителя в трубопроводе 200 до того, как он начнет циркулировать в теплообменнике 90, может вспомогательная теплообменная система 210. Система 210 включает газовый котел (подобный герметичному бытовому газовому нагревателю или промышленному радиационному нагревателю) с отдельным воздухозаборником и отдельным выпускным патрубком, в котором происходит сжигание газообразного топлива, поступающего по трубопроводу 220 из бака 50. Трубопровод 220 подает отходящий газ и/или пары газа из бака 50 в теплообменную систему 210. Жидкий теплоноситель из трубопровода 200 циркулирует в теплообменной системе 210, где его температура может повыситься, после чего подается по трубопроводу 230 в теплообменник 90, откуда возвращается в емкость 160 по обратному трубопроводу (не показан). Насос 180 для переноса тепла повышает давление жидкого теплоносителя с тем, чтобы она могла циркулировать так, как это описано выше. Специалистам, знакомым с этой технологией, должно быть понятно, что насос 180 для переноса тепла может быть установлен и в иных местах описанной выше схемы размещения узлов, проиллюстрированной на фиг. 1, что никак не скажется на полученном результате; при этом альтернативные места установки включены в объем настоящего изобретения. Подобным же образом, емкость 160 может располагаться на тепловозе 40, на тендере 20 или в системе 80 подачи газа высокого давления.
Система 310 отвода газов включает горелку и накопитель газов низкого давления с регулятором на выходе Накопитель улавливает газ, отходящий из бака 50. Расход уловленного газа, поступающего в горелку, регулируется для сокращения выбросов парниковых газов. Для сжигания газа, уловленного системой 310 отвода газов, может быть использована теплообменная система 210.
Трубопроводы 120 и 200 характеризуются наличием быстроразъемного соединения, что позволяет каждому из этих трубопроводов разделиться на две части без разрушения своей конструкции, благодаря чему тепловоз 40 и тендер 20 могут двигаться независимо друг от друга. Отсечный клапан 110 блокирует поток газообразного топлива, когда трубопровод 120 разделяется на две части в случае неожиданного расцепления тепловоза 40 и тендера 20. На тепловозе 40 может быть также предусмотрен отсечный клапан, который предотвращает вытекание жидкого теплоносителя при разделении на две части трубопровода 200. В альтернативном варианте трубопровод 200 может быть снабжен самозакрывающимся быстроразъемным соединением, которое закрывается при разделении трубопровода 200 на две части и размыкается при соединении частей трубопровода 200 в единое целое.
Криогенный регулятор 140 взаимодействует с электронным регулятором 240 двигателя для получения по прямой связи данных о потребности двигателя 30 в газе и для передачи значимой информации о неисправностях, что дает возможность принять грамотное решение по двигателю 30 при недостаточной подаче топлива для требуемого эксплуатационного режима указанного двигателя. Регулятор 240 двигателя представляет собой компьютер, содержащий процессор и устройства памяти, в том числе постоянное запоминающее устройство, такое как флэш-память или ЭСППЗУ, а также временную память, такую как SRAM или DRAM, которые предназначены для хранения и выполнения определенной программы. Регулятор 240 двигателя выдает команды топливным форсункам прямого впрыска на открытие и закрытие клапанов, обеспечивая впрыск газообразного топлива в цилиндры (не показаны) двигателя 30, а также получает сигналы датчиков (не показаны), которые следят за параметрами работы двигателя. Регулятор 240 также быстро реагирует на командные сигналы оператора тепловоза, переданные электронным регулятором 270 тепловоза, на изменение текущего режима работы двигателя 30. По сигналам датчиков и командным сигналам регулятор 240 двигателя сообщает криогенному регулятору 140 о предстоящем изменении объема газообразного топлива, которое будет впрыскиваться в цилиндры двигателя 30, и о соответствующем изменении мгновенного массового расхода через трубопровод 120. Получив такое предупреждение, криогенный регулятор 140 может принять упреждающие меры с тем, чтобы подготовиться к предстоящему изменению, изменив текущее состояние насосов 60 и 70. К примеру, получив предупреждение о предстоящем повышении массового расхода в трубопроводе 120, регулятор 140 может инициировать работу насоса 60 и/или насоса 70 на упреждение, или увеличить скорость нагнетания путем повышения числа оборотов насоса 60 и/или насоса 70, если они уже работают, для повышения давления в трубопроводе 120 с тем, чтобы уменьшить, свести к минимуму или - в предпочтительном варианте - исключить падение давления ниже заданного нижнего предела. Подобным же образом, получив сообщение о предстоящем снижении массового расхода в трубопроводе 120, регулятор 140 может предупредительно снизить скорость нагнетания путем уменьшения числа оборотов насосов 60 и 70 с тем, чтобы уменьшить, свести к минимуму или - в предпочтительном варианте - исключить скачок давления выше заданного верхнего предела. Криогенный регулятор 140 взаимодействует также с модулем 320 телеметрии и информирует указанный модуль телеметрии, регулятор двигателя 240 и регулятор тепловоза 270 о неисправностях, обнаруженных в узлах, с которыми он связан, а также о том, выходят ли отслеживаемые им рабочие параметры за пределы заданных диапазонов или соответствуют ли указанные рабочие параметры заданным пороговым значениям. Модуль 320 телеметрии связан беспроводным способом с центром управления тепловоза для передачи данных, таких как давление в баке, уровень содержимого бака и диагностические сведения о состоянии тендера, полученные от регулятора 140. Регулятор тепловоза 270 представляет собой компьютер, содержащий процессор и устройства памяти, в том числе постоянное запоминающее устройство, такое как флэш-память или ЭСППЗУ, а также временную память, такую как SRAM или DRAM, которые предназначены для хранения и выполнения определенной программы.
На фиг. 2 можно видеть, что в состав тендера 20 входит также платформа 280, на которой установлены криогенный бак 50 и система 80 подачи газообразного топлива высокого давления. Как показано на фиг. 3, тендер 20 содержит два криогенных бака 50 и две системы 80 - по одной с обеих сторон вагона-платформы 281 с опущенной серединой. В прочих вариантах осуществления настоящего изобретения предусмотрено по одному криогенному баку 50 и по одной системе 80, связанных с вагоном-платформой 281 с опущенной серединой. Согласно варианту осуществления настоящего изобретения, который проиллюстрирован на фиг. 7, как бак 50, так и система 80 установлены в опущенной середине вагона-платформы 281. На фиг. 4 показан криогенный вагон-цистерна 300, который был модифицирован под установку системы 80 подачи газа высокого давления. Вагон-цистерна 300 обычно применяется для перевозки криогенных жидкостей; а представленный на фиг. 4 вариант выполнен с возможностью использования в качестве тендера для тепловоза 40. Как показано на фиг. 4, основными местами присоединения трех основных подсистем являются рама 290 вагона-цистерны, криогенный бак 51 и система 80 подачи газообразного топлива высокого давления. Согласно иным вариантам осуществления настоящего изобретения рама вагона-цистерны содержит проходящую снизу опору, поддерживающую бак 51. Теперь обратимся к фиг. 8a, 8b и 8c, на которых проиллюстрированы примеры эффективных комбинаций тендера/тендеров 20 с тепловозом/тепловозами 40, где может быть использована одна или несколько систем 80 подачи газа высокого давления. В любом из этих примеров могут быть использованы тендеры, показанные на фиг. 2, 3, 4 и 7. Как показано на фиг. 8a, один тендер 20 снабжает газообразным топливом два тепловоза 40, которые примыкают к тендеру с двух сторон. На фиг. 8b показана схема, согласно которой один тендер 20 подает газообразное топливо на три тепловоза 40, примыкающих к тендеру с одной стороны в последовательном порядке. На схеме, показанной на фиг. 8c, предусмотрено три тендера 20, расположенных в последовательном порядке, которые снабжают газообразным топливом три тепловоза 40, примыкающих к тендерам с одной стороны также в последовательном порядке. Предусмотрены и иные эффективные комбинации тендеров 20 с тепловозами 40.
На схематическом виде, представленном на фиг. 5, показан второй вариант реализации топливного устройства 10, схожий с вариантом, который показан на фиг.1; при этом одинаковые детали имеют одинаковые номера позиций и подробно не описаны, если описаны вообще. Теплообменная система 211 включает электронагреватель (не показан), который получает электроэнергию от электрогенератора 240 по каналу 250. Подобно теплообменной системе 210 - в зависимости от текущего рабочего состояния и срока эксплуатации двигателя 30 - электронагреватель системы 211 может повысить температуру жидкого теплоносителя в канале 200 перед тем, как указанный жидкий теплоноситель не начнет циркулировать в теплообменнике 90. Согласно другим вариантам осуществления настоящего изобретения теплообменная система 211 может располагаться на тепловозе 40.
На схематическом виде, представленном на фиг. 6, показан третий вариант реализации топливного устройства 10, схожий с вариантом, который показан на фиг. 1; при этом одинаковые детали имеют одинаковые номера позиций и подробно не описаны, если описаны вообще. Система 80 подачи газа высокого давления расположена на тепловозе 40. Это дает определенное преимущество, поскольку трубопровод 260 между насосами 60 и 70, который в данном случае проходит между тендером 20 и тепловозом 40, является трубопроводом низкого давления, что уменьшает общую длину трубопровода высокого давления. Аналогичная модификация может быть реализована в отношении варианта осуществления настоящего изобретения, показанного на фиг. 5.
Хотя в настоящей заявке проиллюстрированы и описаны конкретные элементы, варианты осуществления и сферы применения настоящего изобретения, следует понимать, что настоящее изобретение ими не ограничивается, так как специалисты в данной области техники могут вносить определенные изменения без отступления от объема настоящего изобретения, в частности, с учетом предшествующих идей.