СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ НАДДУВОЧНОГО ВОЗДУХА И МАСЛА, НАГРЕВА КРИОГЕННОГО ГАЗА ТЕПЛОВОЗА С ГАЗОПОРШНЕВЫМ ДВИГАТЕЛЕМ

Полезная модель относится к системам охлаждения наддувочного воздуха и теплоносителей, а также системам нагрева газа на тепловозах с газопоршневыми двигателями внутреннего сгорания (ДВС).
Известны системы охлаждения наддувочного воздуха и масла поршневых ДВС тепловозов. Например, тепловозы типа ТЭМ2, в том числе опытный образец тепловоза с газопоршневым ДВС, работающим с использованием в качества топлива сжатого природного газа, оборудованы воздушным вентилятором, секциями водовоздушного радиатора, соединенными трубопроводами с водяными полостями двигателя и водяным насосом, секциями водовоздушного радиатора охлаждения наддувочного воздуха двигателя и водяным насосом, охлаждающими секциями масловоздушного радиатора, соединенными с масляной системой двигателя и насосом масла. Тепло отводится от наддувочного воздуха водой, от охлаждаемых узлов дизеля водой г: смазочным маслом и рассеивается в атмосфере при проходе горячей воды и масла по трубкам соответственно водовоздушных и масловоздушной секций радиатора, обдуваемых снаружи воздухом, нагнетаемым воздушным вентилятором. (Куприеко О.Г., Нестеров Э.И. и др. «Тепловозы. Назначение и устройство»: М.; «Маршрут», 2006 г.).
Недостатком системы является значительный расход мощности и топлива на привод воздушного вентилятора, возрастающий с повышением температуры окружающей среды, и применение масловоздушных секций радиатора. На тепловозе с ДВС, использующим в качестве топлива сжатый природный газ, подогрев газа не производится.
Известна система жидкостного охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая радиатор охлаждения, жидкостный насос, полости охлаждения, заполненные жидкостью, которая осуществляет перенос тепла, расширительный бачок, причем установленный дополнительно компрессор с электроприводом и датчиком давления обеспечивает поддержание в системе избыточного давления, что улучшает охлаждение в условиях повышенных и переменных нагрузок. (RU, патент №2232905 C1, МПК F01P 3/20. 2002 г.).
Недостатками системы являются повышенный расход мощности на привод воздушного вентилятора и дополнительного компрессора, а также усложнение и удорожание конструкции дополнительным оборудованием, используемым для создания избыточного давления в системе.
Известны способ охлаждения двигателя внутреннего сгорания и система охлаждения двигателя внутреннего сгорания, содержащая контуры охлаждения масла и наддувочного воздуха с водяным насосом, водо-воздушным радиатором, вентилятором и теплообменниками (охладителями). Температуру масла регулируют перепуском масла мимо водомасляного теплообменника и изменением потока воздуха, подаваемого на обдув радиатора контура охлаждения. (RU. патент №2064596 C1, МПК F01P 3/20, 1994 г.).
Недостатками данной системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания являются увеличенные затраты энергии на привод вентилятора, возрастающие с повышением температуры окружающей среды, усложнение конструкции, связанное с применением устройств регулирования температур перепуском масла. Система не содержит устройств подогрева криогенного газового топлива.
Известна система подачи криогенного топлива для питания двигателя, принятая за прототип, в которой криогенная емкость с криогенным газом соединена с газовыми форсунками двигателя через масло-газовый теплообменник (охладитель масла), в котором масло охлаждается криогенным газом, и через газовый теплообменник, в котором криогенный газ нагревается: за счет тепла выпускных газов двигателя. (RU, патент №2 427 724 C1, МПК F02M 21/02, 2010 г.).
Недостатком системы является непосредственная теплопередача между маслом и криогенным газом в масло-газовом теплообменнике, поскольку низкие температуры криогенного газа могут снижать температуру масла до уровня, при котором повышение вязкости и снижение текучести масла нарушают работу подшипников. Использование размещенного в выпускном патрубке газового теплообменника, в котором криогенный газ нагревается за счет тепла выпускных газов двигателя, усложняет конструкции системы подачи криогенного топлива и газовыпускной системы двигателя.
Техническим результатом полезной модели является повышение топливной экономичности тепловоза снижением затрат мощности на привод воздушного вентилятора системы охлаждения путем частичного отбора тепла из системы охлаждения на нагрев и испарение криогенного газа и осуществление нагрева и испарения криогенного газа за счет тепла наддувочного воздуха и масла газопоршневого двигателя без дополнительных затрат энергии.
Технический результат достигается тем, что в системе охлаждения наддувочного воздуха и масла, нагрева криогенного газа тепловоза с газопоршневым двигателем, которая содержит жидкостно-воздушный радиатор с вентилятором, насос охлаждающей жидкости, расширительный бак, трубопровод охлаждающей жидкости, в который включены охладитель наддувочного воздуха, охладитель масла газопоршневого двигателя, датчик температуры охлаждающей жидкости, а также криогенную емкость криогенного газа, криогенный газопровод, газовый теплообменник, регулятор давления газа, клапаны подачи газа в цилиндры газопоршневого двигателя, газовый теплообменник выполнен в виде газожидкостного теплообменника и он включен в трубопровод охлаждающей жидкости системы охлаждения тепловоза с газопоршневым двигателем, вход в газовую полость газожидкостного теплообменника соединен газопроводом с криогенной емкостью криогенного газа, выход из газовой полости газожидкостного теплообменника соединен с газовыми клапанами цилиндров газопоршневого двигателя через клапан управления и регулятор давления газа для повышения топливной экономичности тепловоза, снижения затрат мощности на привод воздушного вентилятора системы охлаждения, исключения дополнительных затрат топлива на нагрев криогенного газа, а также для упрощения конструкции системы.
Предлагаемая система охлаждения наддувочного воздуха и масла, нагрева криогенного газового топлива тепловоза с газопоршневым двигателем схематично показана на чертеже.
Система содержит жидкостно-воздушный радиатор 1 с вентилятором 2, насос охлаждающей жидкости 3, расширительный бак 4, трубопровод 5, соединяющий выход из водо-воздушного радиатора 1 со всасыванием насоса охлаждающей жидкости 3, трубопровод охлаждающей жидкости 6, в который включены охладитель наддувочного воздуха 7 и охладитель масла 8 газопоршневого двигателя 9, датчик температуры 10 охлаждающей жидкости, а также криогенную емкость 11 криогенного газа, криогенный газопровод 12, в который включены подогреватель газа атмосферный 13, газожидкостный теплообменник 14, клапан управления 15, регулятор давления газа 16, соединенные газопроводом 17 с газовыми клапанами 18 цилиндров газопоршневого двигателя 9, для снижения затрат мощности на привод вентилятора 2 системы охлаждения, исключения дополнительных затрат топлива на нагрев криогенного газа, а также упрощения конструкции системы.
Работа системы охлаждения наддувочного воздуха и масла, нагрева криогенного газа тепловоза с газопоршневым двигателем осуществляется следующим образом.
Насос охлаждающей жидкости 3 подает охлаждающую жидкость в охладитель наддувочного воздуха 7, далее в охладитель масла 8 и далее - в газожидкостный теплообменник 14 и жидкостно-воздушный радиатор 1, откуда охлаждающая жидкость по трубопроводу 5 поступает во всасывающую полость насоса охлаждающей жидкости 3. При этом охлаждающая жидкость отбирает теплоту от наддувочного воздуха в охладителе наддувочного воздуха 7 и от масла в охладителе масла 8, охлаждая наддувочный воздух и масло, при этом температура охлаждающей жидкости повышается. При прохождении в полости жидкости газожидкостного теплообменника 14 охлаждающая жидкость отдает тепло криогенному газу, поступающему в газовые полости газожидкостного теплообменника 14 из криогенной емкости 11 по газопроводу 12 через подогреватель газа атмосферный 13, в котором за счет теплообмена с окружающей средой протекают процессы подогрева и частичной газификации сжиженного газа. В газожидкостном теплообменнике 14 под воздействием тепла охлаждающей жидкости криогенный газ нагревается, переходит в газообразное состояние и через управляемый клапан 15, регулятор давления 16 по газопроводу 17 поступает к газовым клапанам 18 и далее в цилиндры газопоршневого двигателя 9, в которых он сгорает, обеспечивая работу газопоршневого двигателя 9.
Охлаждающая жидкость, температура которой понижена в результате теплообмена с криогенным газом в газожидкостном теплообменнике 14, контактирует с датчиком температуры 10 и поступает в водо-воздушный радиатор 1. При работе газопоршневого двигателя 9 на частичных рабочих режимах, при пониженных температурах окружающей среды температура охлаждающей жидкости, сниженная в газожидкостном теплообменнике 14 в результате теплообмена с криогенным вследствие чего воздушный вентилятор 2, сообщенный с датчиком температуры 10 охлаждающей жидкости, не включается в работу, чем обеспечивается экономия топлива, расходуемого на привод вентилятора 2.
При работе газопоршневого двигателя 9 на режимах большой мощности, при высоких температурах окружающей среды температура охлаждающей жидкости на выходе газожидкостного теплообменника 14 может превысить установленный максимальный уровень. В этом случае по сигналу от датчика температуры 10 охлаждающей жидкости воздушный вентилятор 2 приводится в действие и температура охлаждающей жидкости, проходящей через водо-воздушный радиатор 1, понижается за счет теплоотдачи в атмосферу до установленного значения. Таким образом, путем включения газожидкостного теплообменника 14 в трубопровод газом, не превышает установленного максимального уровня, 6 охлаждающей жидкости системы охлаждения наддувочного воздуха и масла сокращают продолжительность работы вентилятора 2, чем обеспечивается экономия топлива. В то же время предложенная система обеспечивает необходимый нагрев криогенного газа и исключает дополнительные затраты топлива на нагрев и испарение криогенного газа.
Применение предложенной полезной модели обеспечивает снижение затрат мощности на привод вентилятора системы охлаждения, исключает дополнительные затраты топлива на нагрев криогенного газа, а также упрощает конструкцию системы.