ТРАНСПОРТНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С АВТОМАТИЧЕСКИМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания колесных транспортных средств, а более конкретно - к силовым 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.
Известны конструкции силовых установок тепловозов с механическими генераторами сжатого газа (см. Шелест П.А. Комбинированные турбопоршневые двигатели. М., Машгиз, 1958). В них тепловой двигатель кинематически связан с поршневым компрессором. Рабочее тело, получаемое путем сгорания топлива в среде воздуха, сжатого в компрессоре, поступает по трубопроводу в резервуар, соединенный другим трубопроводом с поршневой расширительной машиной паровозного типа или газовой турбиной, приводящей во вращение ведущие оси локомотива. Наиболее благоприятная тяговая характеристика получается при использовании поршневой машины. В качестве теплового двигателя для привода компрессора используется дизельный двигатель или газовая турбина. Регулирование крутящего момента, развиваемого расширительной машиной, осуществляется изменением давления газа или степени наполнения цилиндра путем ручной перестановки органов внешнего газораспределения.
Наличие кривошипно-шатунного механизма и коленчатого вала в механическом генераторе газа приводит к усложнению и утяжелению конструкции. Указанные недостатки устранены в свободнопоршневых генераторах газа, включающих в себя безвальные двигатели внутреннего сгорания, работающие по двухтактному дизельному циклу.
Известны силовые установки тепловозов со свободнопоршневыми генераторами газа, в которых в качестве расширительной машины применяется газовая турбина, (см. Шелест П.А. Комбинированные турбопоршневые двигатели. М., Машгиз, 1958; Елистратов Ф.М., Колюко В.М., Томилин М.С. Силовые установки со свободнопоршневыми генераторами газа. Л., Судпромгиз, 1959; Бартош Е.Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте. М., "Транспорт", 1972). Допускаемая турбиной температура рабочего тела позволяет при необходимости охлаждать продукты сгорания путем их смешения с воздухом. Минимальный расход топлива турбиной достигается в узком диапазоне частот вращения вала. Поэтому для обеспечения наиболее экономичной работы турбины тепловозы оборудованы двухступенчатой механической или гидромеханической передачей крутящего момента от вала турбины к колесным парам. Крутящий момент регулируется изменением передаточного отношения редуктора или наполнением и опорожнением соответствующих гидроаппаратов.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство, в котором генератор газа выполнен по безвальной схеме, а сжатый газ расширяется в поршневой машине (см. Петров П.П. Комбинированные энергетические установки для железнодорожного транспорта, http://www.ekip.pro/stati/keu gt.pdf). Оно и взято за прототип.
Устройство-прототип включает в себя свободнопоршневые генераторы газа с двухступенчатым поршневым компрессором наддува, V-образную поршневую расширительную машину двойного действия с развалом цилиндров 90° и турбокомпрессор. Требуемая температура рабочего тела достигается путем смешения продуктов сгорания с воздухом. По потоку рабочего тела турбина турбокомпрессора располагается за поршневой расширительной машиной, а радиальный компрессор - перед компрессорами свободнопоршневых генераторов газа. При этом обеспечивается постоянство мощности тепловоза в ограниченном диапазоне скоростей при фиксированной отсечке. Расширение этого диапазона требует увеличения диапазона регулирования крутящего момента и сопряжено с увеличением массы и габаритов расширительной машины. Поэтому для увеличения диапазона регулирования крутящего момента применяется промежуточная двухступенчатая механическая передача или гидравлическая передача с использованием гидромуфт.
Применение силовых установок с размещением генераторов газа и расширительной машины в отдельных агрегатах ухудшает массогабаритные показатели локомотива и неизбежно ведет к тепловым и гидравлическим потерям в соединительных трубопроводах, что снижает коэффициент полезного действия локомотива в целом.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является:
- снижение температуры продуктов сгорания свободнопоршневого генератора газа впрыском воды для использования в расширительной поршневой машине паровозного типа;
- автоматическое поддержание заданной мощности двигателя во всем скоростном диапазоне путем плавного регулирования крутящего момента в соответствии с изменяющейся нагрузкой.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение коэффициента полезного действия и создание компактной силовой установки локомотива путем объединения свободнопоршневых генераторов газа и поршневой расширительной машины в один агрегат, что позволяет существенно упростить энергетическую установку локомотива путем отказа от промежуточного звена передачи крутящего момента.
Сущность полезной модели состоит в том, что транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента со свободнопоршневыми генераторами газа, расширительной поршневой машиной паровозного типа с золотниковыми камерами, турбокомпрессорами 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.
Двигатель содержит не менее четырех свободнопоршневых генераторов газа и поршневую расширительную машину с числом цилиндров не менее двух. Каждый цилиндр поршневой расширительной машины связан по потоку рабочего тела с двумя свободнопоршневыми генераторами газа и одним турбокомпрессором, за турбинами турбокомпрессоров по потоку рабочего тела расположен конденсатор -сепаратор. Наличие нескольких свободнопоршневых генераторов газа позволяет при снижении нагрузки отключать часть из них. При этом оставшиеся включенными свободнопоршневые генераторы газа работают в наиболее экономичном режиме.
Конструкция заявляемого устройства упрощается за счет того, что между свободнопоршневыми генераторами газа и цилиндрами поршневой расширительной машины отсутствуют соединительные трубопроводы.
Предлагаемая полезная модель схематически иллюстрируется чертежом, на котором представлен общий вид заявляемого транспортного двигателя внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента.
Каждый свободнопоршневой генератор газа состоит из цилиндра сгорания 1, буферной полости 2, компрессорных полостей низкого 3 и высокого 4 давления, самодействующих клапанов 5 и сообщается через ресивер 6 с золотниковыми камерами 7 цилиндров 8 поршневой расширительной машины. Нагнетаемый воздух сначала сжимается в турбокомпрессоре 9, а затем через клапаны 5 последовательно поступает в компрессорные полости 3, 4 и далее в цилиндр сгорания 1 свободнопоршневых генераторов газа. Для впрыска топлива служит форсунка 10, а для впрыска воды - форсунка 11. В цилиндре 8 поршневой расширительной машины перемещается силовой поршень 12, соединенный штоком 13 с крейцкопфом 14. Крейцкопф соединен шатуном 15 с пальцем 16 ведущей оси 17. На палец ведущей оси насажен контркривошип 18, приводящий в движение кулису 19 внешнего газораспределительного механизма. Ведущие колеса снабжены противовесами 20. В золотниковой камере перемещается золотник 21, регулирующий фазы газораспределения поршневой расширительной машины.
Ресивер 6 сообщается трубопроводом с регулятором давления, на поршень 22 которого с одной стороны действует сила давления парогазовой смеси, а с другой - сила пружины 23. При нарушении равенства производительности свободнопоршневых генераторов газа и расхода парогазовой смеси поршневой расширительной машиной давление в ресивере изменяется. Под действием пружины 23 поршень 22 регулятора давления перемещается, сдвигая золотник 24 сервомотора из среднего положения. Масло, нагнетаемое шестеренчатым насосом (не показан), поступает в одну из полостей цилиндра 25 сервомотора и производит давление на поршень 26 сервомотора, изменяя положение внешнего газораспределительного механизма, в результате чего изменяется разбег золотника 21 и степень наполнения цилиндра 8 поршневой расширительной машины. В зависимости от направления движения локомотива масло поступает или через внутреннюю полость между поршнями золотника 24, или через полости снаружи золотника 24.
Двигатель также содержит конденсатор - сепаратор 27, служащий для охлаждения парогазовой смеси, выходящей из турбины турбокомпрессора 9, конденсации находящегося в ней отработавшего пара и отвода образовавшегося конденсата в водяную систему охлаждения двигателя.
Основные преимущества тепловоза, оборудованного предлагаемым двигателем:
1. Упрощение конструкции и компактность силовой установки. Двигатель по своим габаритам может размещаться непосредственно на раме тележки.
2. Отсутствие дорогостоящей и массивной электрической передачи. Это снижает строительную стоимость локомотива, затраты на его обслуживание и ремонт и повышает эксплуатационную надежность. Тепловоз имеет меньшую склонность к боксованию и может неограниченно долго работать в зоне низких скоростей.
3. Коэффициент полезного действия на ободе колеса в режиме тяги практически не зависит от мощности и составляет 0,4-0,42, тогда как у тепловозов с электрической передачей он не превышает 0,3 при среднем эксплуатационном значении 0,25-0,27.
4. Полное использование номинальной мощности двигателя во всем диапазоне рабочих скоростей.
5. Возможность отключения подачи топлива на холостом ходу.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания полезной модели:
1. Шелест П.А. Комбинированные турбопоршневые двигатели. М., Машгиз, 1958.
2. Елистратов Ф.М., Колюко В.М., Томилин М.С.Силовые установки со свободнопоршневыми генераторами газа. Л., Судпромгиз, 1959.
3. Бартош Е.Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте. М., "Транспорт", 1972.
4. Петров П.П. Комбинированные энергетические установки для железнодорожного транспорта, http://www.ekip.pro/stati/keu gt.pdf.