КОМБИНИРОВАННАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТЕПЛОВОЗА

Полезная модель относится к энергетическим установкам автономных локомотивов.
Тепловоз с непосредственным соединением вала двигателя внутреннего сгорания и ведущих колес имеет недостаточную силу тяги при разгоне после трогания и избыточную - в зоне высоких скоростей. Для приведения тепловоза в движение требуется дополнительная энергетическая установка, что снижает экономичность, ухудшает массогабаритные показатели и приводит к удорожанию локомотива в целом.
Известна силовая установка, представляющая собой транспортный двигатель внутреннего сгорания со свободнопоршневыми генераторами газа, работающими на поршневую расширительную машину паровозного типа, включающий в себя регулятор давления, автоматически осуществляющий плавное регулирование крутящего момента, что обеспечивает формирование тяговой характеристики с поддержанием постоянной мощности тепловоза на заданном уровне. (Патент RU 140285 U1 МПК F01B 23/02 F02B 71/04 F02B 61/00. Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента / К.Г. Михаилиди, Е.П. Лосев (РФ) №2013126103/06; Заявлено 06.07.2013; Опубл. 10.05.2014, Бюл. №13).
Это устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту. Оно и взято за прототип.
Устройство-прототип включает в себя свободнопоршневые генераторы газа с двухступенчатым поршневым компрессором наддува, поршневую расширительную машину паровозного типа с золотниковыми камерами, турбокомпрессоры и дополнительно снабжается регулятором давления, кинематически связанным с внешним газораспределительным механизмом, что позволяет автоматически регулировать крутящий момент двигателя путем изменения степени наполнения цилиндров поршневой расширительной машины.
Перед продувкой форсунка для впрыска воды, расположенная в теле цилиндров сгорания свободнопоршневых генераторов газа, впрыскивает в них воду из системы охлаждения двигателя для снижения температуры продуктов сгорания. Вода, превращаясь в перегретый пар, смешивается с горячими газами, образуя парогазовую смесь, являющуюся рабочим телом. Между выпускными окнами свободнопоршневых генераторов газа и впускными окнами золотниковых камер поршневой расширительной машины расположен ресивер, сглаживающий колебания давления рабочего тела. С цилиндрами сгорания свободнопоршневых генераторов газа и золотниковыми камерами поршневой расширительной машины ресивер соединяется патрубками, а с регулятором давления - трубопроводом. Поршни цилиндров поршневой расширительной машины непосредственно связаны с ведущей колесной парой дышловым механизмом.
Отработав в цилиндрах поршневой расширительной машины, парогазовая смесь поступает в турбины турбокомпрессоров, за которыми по потоку рабочего тела расположен конденсатор-сепаратор.
Недостатком данной установки является то, что в ней не предусмотрено рекуперативное торможение при переводе поршневой расширительной машины в компрессорный режим.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является возможность применения рекуперации энергии торможения за счет включения в состав энергетической установки пневматического аккумулятора энергии.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение энергетической эффективности тепловоза и снижение удельного расхода топлива на измеритель перевозочной работы, благодаря возможности использования аккумулированной энергии на тягу.
Сущность полезной модели состоит в том, что комбинированная силовая установка тепловоза со свободнопоршневыми двигателями, поршневой расширительной машиной, турбокомпрессорами, регулятором давления, кинематически связанным с внешним газораспределительным механизмом, дополнительно снабжается пневматическим и тепловым аккумуляторами энергии.
Пневматический аккумулятор принимает энергию торможения при работе поршневой расширительной машины в компрессорном режиме, а в режиме тяги отдает ее обратно, работая обособленно или совместно со свободнопоршневыми двигателями, для чего последние дополнительно оборудуются компрессорными цилиндрами, позволяющими переводить свободнопоршневые двигатели из режима генераторов газа в режим дизель-компрессоров.
Поршневая расширительная машина обратимая - в тяговом режиме может работать по принципу двукратного расширения, а в тормозном работает как двухступенчатый компрессор. Для этого по обе стороны от цилиндров низкого давления двойного действия с золотниковым газораспределением располагаются прямоточные цилиндры высокого давления одностороннего действия с управляемыми впускными клапанами и выпускными окнами, снабженными органами управления начала выпуска.
При совместной работе свободнопоршневых двигателей и пневматического аккумулятора комбинированная силовая установка тепловоза в качестве рабочего тела использует нагретый сжатый воздух. Свободнопоршневые дизель-компрессоры подают сжатый воздух в цилиндры высокого давления поршневой расширительной машины. В то время, когда свободнопоршневые дизель-компрессоры не используются для тяги или используются частично они могут подзаряжать пневматический аккумулятор.
Тепловой аккумулятор, работающий на выхлопных газах свободнопоршневых дизель-компрессоров, служит для нагрева и поддержания требуемой температуры сжатого воздуха.
В течение времени, когда режим тяги осуществляется без использования пневматического аккумулятора, свободнопоршневые двигатели работают в режиме генераторов газа, а поршневая расширительная машина - как машина однократного расширения только цилиндрами низкого давления, и силовая установка функционирует точно так же, как устройство-прототип.
Комбинированная силовая установка тепловоза содержит не менее четырех свободнопоршневых двигателей, поршневую расширительную машину с числом цилиндров не менее шести, из них два цилиндра низкого и четыре - высокого давления, тепловой и пневматический аккумуляторы. Цилиндры высокого давления поршневой расширительной машины связаны по потоку рабочего тела с тепловым и пневматическим аккумуляторами. Перед турбинами турбокомпрессоров расположен кран, подключающий их либо к цилиндру низкого давления поршневой расширительной машины, либо к свободнопоршневому двигателю, а за ними кран, позволяющий направлять поток либо в конденсатор-сепаратор, либо в тепловой аккумулятор. Наличие нескольких свободнопоршневых двигателей позволяет при снижении нагрузки отключать часть из них. При этом оставшиеся включенными свободнопоршневые двигатели работают в наиболее экономичном режиме.
Предлагаемая полезная модель схематически иллюстрируется чертежом (рис. 1), на котором представлен общий вид заявляемой комбинированной силовой установки тепловоза.
Каждый свободнопоршневой двигатель состоит из цилиндра сгорания 1, буферной полости 2, компрессорных полостей наддува низкого 3 и высокого 4 давления, силовых компрессорных полостей низкого 5 и высокого 6 давления и самодействующих клапанов 7. Цилиндр сгорания 1 сообщается через газовый ресивер 8 и кран 9 с золотниковыми камерами 10 цилиндров низкого давления 11 поршневой расширительной машины, а через кран 12 с турбиной турбокомпрессора 13. Для впрыска топлива служит форсунка 14, а для впрыска воды - форсунка 15. В цилиндре низкого давления 11 поршневой расширительной машины перемещается силовой поршень 16, а в цилиндрах высокого давления 17 поршневой расширительной машины перемещаются силовые поршни 18. Поршни 16 и 18 соединены штоком 19 с крейцкопфом 20. Крейцкопф соединен шатуном 21 с пальцем 22 ведущей оси 23. На палец ведущей оси насажен контркривошип 24, приводящий в движение кулису 25 внешнего газораспределительного механизма. Ведущие колеса снабжены противовесами 26. Для регулирования фаз газораспределения поршневой расширительной машины в золотниковой камере цилиндра низкого давления перемещается золотник 27, связанный штоком с управляющими органами впускных клапанов 28 и управляющими органами (не показаны) выпускных окон цилиндров высокого давления.
Краны 29 служат для перевода свободнопоршневых двигателей из режима генераторов газа в режим дизель-компрессоров и обратно, а также для направления сжатого воздуха в воздушный ресивер теплового аккумулятора 30. Краном 31 и самодействующими клапанами 32 регулируется направление воздушного потока, входящего или выходящего относительно воздушного ресивера.
Впускные патрубки золотниковых камер 10 сообщаются трубопроводом с регулятором давления, на поршень 33 которого с одной стороны действует сила давления рабочего тела, а с другой - сила пружины 34. При нарушении равенства между поступлением рабочего тела в золотниковые камеры и его расходом поршневой расширительной машиной давление в ресивере изменяется. Под действием пружины 34 поршень 33 регулятора давления перемещается, сдвигая золотник 35 сервомотора из среднего положения. Масло, нагнетаемое шестеренчатым насосом (не показан), поступает в одну из полостей цилиндра 36 сервомотора и производит давление на поршень 37 сервомотора, изменяя положение внешнего газораспределительного механизма, в результате чего изменяется разбег золотника 27 и степень наполнения цилиндров 11 и 17 поршневой расширительной машины. В зависимости от направления движения локомотива масло поступает или через внутреннюю полость между поршнями золотника 35, или через полости снаружи золотника 35.
Из воздушного ресивера теплового аккумулятора 30, снабженного с целью поддержания постоянного давления перемещающимся по вертикали грузом 38, сжатый воздух поступает в пневматический аккумулятор 39 и обратно по трубопроводам, оборудованным самодействующими клапанами 40. Предохранительный клапан 41 служит для выпуска воздуха в атмосферу при достижении в пневматическом аккумуляторе предельного давления.
Установка также содержит конденсатор-сепаратор 42, служащий для охлаждения парогазовой смеси, выходящей из турбины турбокомпрессора 13, конденсации находящегося в ней отработавшего пара и отвода образовавшегося конденсата в водяную систему охлаждения двигателя. В выхлопном тракте после турбины турбокомпрессора 13 имеется кран 43, благодаря которому выхлопные газы при работе свободнопоршневого двигателя в режиме генератора газа и имеющие низкую температуру, направляются в конденсатор-сепаратор, а при работе свободнопоршневого двигателя в режиме дизель-компрессора и имеющие высокую температуру, направляются в тепловой аккумулятор.
Комбинированная силовая установка тепловоза имеет семь рабочих режимов и один нерабочий - холостого хода. Рабочие режимы следующие.
I. Тяга с использованием только свободнопоршневого двигателя. Свободнопоршневой двигатель работает как генератор газа, а поршневая расширительная машина - как машина однократного расширения с использованием только цилиндров низкого давления. Цилиндры высокого давления выключены. Нагнетаемый воздух сначала сжимается в турбокомпрессоре 13, а затем через клапаны 7 последовательно поступает в компрессорные полости наддува 3, 4 и далее в цилиндр сгорания 1 свободнопоршневых двигателей. Отработавшая в поршневой расширительной машине парогазовая смесь поступает в турбину турбокомпрессора, а после нее - в конденсатор-сепаратор. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 2.
II. Тяга с одновременным использованием свободнопоршневого двигателя и пневматического аккумулятора. Свободнопоршневой двигатель работает как дизель-компрессор. Нагнетаемый воздух сначала сжимается в турбокомпрессоре 13 и одновременно в компрессорных полостях наддува 4, а затем поступает в цилиндр сгорания 1 свободнопоршневых двигателей. Компрессорные полости наддува 3 выводятся из работы. Одновременно из атмосферы воздух поступает последовательно в силовые компрессорные полости 5, 6. Выхлопные газы дизель-компрессора поступают в турбину турбокомпрессора, а после нее, пройдя через тепловой аккумулятор и отдав ему тепло, выпускаются в атмосферу. Пневматический аккумулятор вместе со свободнопоршневым двигателем питает сжатым воздухом поршневую расширительную машину. Сначала сжатый воздух через впускные клапаны попеременно поступает в цилиндры высокого давления. Отработавший в цилиндрах высокого давления воздух через выпускные окна поступает в золотниковые камеры цилиндров низкого давления. Отработав в цилиндрах низкого давления, воздух выпускается в атмосферу. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 3.
III. Тяга только от пневматического аккумулятора. Отличается от режима II тем, что в свободнопоршневые двигатели прекращается подача топлива или они переводятся в режим холостого хода. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 3.
IV. Тяга и одновременный заряд пневматического аккумулятора от свободнопоршневого двигателя, если не требуется реализации полной мощности для тяги, а давление в аккумуляторе ниже расчетного. Отличается от режима II тем, что свободнопоршневой дизель-компрессор одновременно работает и на поршневую расширительную машину, и подзаряжает пневматический аккумулятор, меняя направление сжатого воздуха, проходящего через воздушный ресивер. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 4.
V. Выбег с одновременным зарядом пневматического аккумулятора от свободнопоршневого двигателя. Отличается от режима IV тем, что поршневая расширительная машина переводится в режим холостого хода соответственным изменением положения внешнего газораспределительного механизма. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 4.
VI. Рекуперативное торможение с одновременным зарядом пневматического аккумулятора от свободнопоршневого двигателя. Поршневая расширительная машина переводится на обратный ход и переходит в компрессорный режим. Свободнопоршневой двигатель работает как дизель-компрессор и совместно с поршневой расширительной машиной заряжает пневматический аккумулятор. Тормозная сила регулируется кратковременным изменением затяжки пружины 34 регулятора давления. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 4.
VII. Рекуперативное торможение с использованием только пневматического аккумулятора. Отличается от режима VI тем, что в свободнопоршневые двигатели прекращается подача топлива или они переводятся в режим холостого хода. Краны 9, 12, 29, 31 и 43 находятся в положении, показанном на рис. 4.
Применение пневматического аккумулятора энергии дает возможность рекуперировать тормозную энергию и повторно использовать ее на тягу. Расчеты показали, что таким образом можно достичь экономии топлива до 30 % по сравнению с устройством-прототипом.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания полезной модели:
Патент RU 140285 U1 МПК F01B 23/02 F02B 71/04 F02B 61/00. Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента / К.Г. Михаилиди, Е.П. Лосев (РФ) №2013126103/06; Заявлено 06.07.2013; Опубл. 10.05.2014, Бюл. №13.