ТЕПЛОВОЗ
DIESEL LOCOMOTIVE

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта и может найти применение в качестве тепловоза.
Известен маневровый тепловоз ТГМ-6А, содержащий раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, имеющий водительское и моторное отделение, дизельный двигатель, размещенный внутри моторного отделения, гидропередачу, которая соединена с дизельным двигателем, а посредством валов и осевых редукторов связана с колесными парами, трехцилиндровый компрессор, который посредством гидромуфты связан с гидропередачей, холодильник, вентилятор которого через редуктор соединен с дизельным двигателем, системы: питания, охлаждения, смазки, запуска, тормозную, электрическую, песочную, механизмы управления.
/Г.Я.Белобаев, В.И.Бурьяница, М.К.Гавриленко и др. Маневровые тепловозы, ред. Л.С.Назаров. - М.: Транспорт, 1977, с.5-30, рис.7, таблица 2.4/.
Недостатками известного маневрового тепловоза ТГМ-6А являются: большой расход топлива, значительная вибрация, большие тепловые потери и потери на трение в дизельном двигателе и сложность его конструкции, большой вес.
Указанные недостатки обусловлены наличием кривошипно-шатунного механизма, инерцией подвижных частей и его большим количеством, большими размерами двигателя.
Известен также двухсекционный тепловоз ТЭ-3, каждая секция которого содержит раму с ходовыми тележками и подвесками, кузов, установленный на раме и имеющий водительское и моторное отделения, десятицилиндровый бескомпрессорный дизельный двигатель 2Д№100 с вертикальными встречнодвижущимися поршнями, установленный в моторном отделении и имеющий муфту сцепления, тяговый генератор, связанный с дизельным двигателем, тяговые электродвигатели, механически соединенные с колесными парами, а электрически через контроллер, подключенные к выходу тягового генератора, двухмашинный агрегат, содержащий генератор для питания обмоток возбуждения тягового генератора и генератор для зарядки аккумуляторных батарей и питания электродвигателей вспомогательных агрегатов и других потребителей, механически соединенный с дизельным двигателем, системы: питания, охлаждения, смазки, запуска, электрическую, пневматическую, песочную механизмы управления /В.А.Раков. Локомотивы отечественных железных дорог 1845-1955, изд.2, М.: Транспорт, с.382-384/.
Одна секция тепловоза ТЭ-3, как наиболее близкая по технической сущности и достигаемому полезному результату, принята за прототип.
Недостатки секции тепловоза ТЭ-3, принятой за прототип, те же.
Указанные недостатки обусловлены конструкцией дизельного двигателя.
Целью настоящего изобретения является повышение технических характеристик тепловоза.
Указанная цель согласно изобретения обеспечивается тем, что силовая установка в форме кривошипно-шатунного дизельного двигателя заменена силовой установкой, выполненной в форме нескольких, одинаковых по конструкции силовых блоков, каждый из которых представляет собой роторно-поршневой дизельный двигатель, содержащий горизонтальный цилиндр с рубашкой охлаждения, выполненный за одно с фундаментальной рамой и закрытый передней и задней крышками, имеющими соответственно выпускные и впускные продувочные окна, расположенные соосно друг другу, первые из которых соединены с впускными трубами, а вторые соединены с выпускными трубами ротационной воздуходувки, впускная труба которой соединена с воздушным фильтром, причем внутрь цилиндра вставлен Z-образный ротор с элементами уплотнения, выполненный за одно с валом, концы которого пропущены в отверстия передней и задней крышек, с боков на противоположных концах ротора выполнены выступы в форме треугольников, обращенных своими вершинами в сторону, противоположную вращению ротора, причем на обеих противоположных сторонах ротора установлены с возможностью вращения вместе с ротором и радиального перемещения поршни с элементами уплотнения, выполненные в форме сегментов, обращенных своими сферическими поверхностями к внутренней поверхности цилиндра, размещенные вместе с ротором в поперечной плоскости относительно вала, каждый из которых имеет выступ и наклонную направляющую, входящие соответственно в паз и в наклонный канал ротора, кроме того, на задней боковой поверхности каждого из поршней установлен палец, входящий в профилированный паз, выполненный на внутренней поверхности задней крышки, причем сферические поверхности и боковая часть поршней, поверхность треугольных выступов ротора и внутренняя поверхность цилиндра образуют две камеры сгорания, имеющие форсунки, связанные с системой питания и две впускные-выпускные камеры, связанные с воздушным трактом, кроме того, валы всех силовых блоков соединены между собой и имеют маховик, ведущие шестерни, входящие в зацепление с ведомыми шестернями привода насосов высокого давления, ротационной воздуходувки, топливных, масляных, водяных насосов, а на одном из силовых блоков закреплен стартер, шестерня которого взаимодействует с зубчатым венцом маховика.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фигуре 1 изображен общий вид тепловоза, на фигуре 2 - расположение силовой установки в моторном отделении, на фигуре 3 - блок-схема силовой установки, на фигуре 4 - кинематическая схема силовой установки, на фигуре 5 - общий вид силового блока, на фигуре 6 - вид слева на силовой блок, на фигуре 7 - вид справа на силовой блок, на фигуре 8 - поперечный разрез силового блока, на фигуре 9 - общий вид ротора силового блока, на фигуре 10 - вид на ротор слева, на фигуре 11 - вид на ротор сверху, на фигуре 12 - общий вид поршня силового блока, на фигуре 13 - вид слева на поршень силового блока, на фигуре 14 - вид сверху на поршень силового блока с частичным разрезом, на фигуре 15 - схема системы питания силовой установки, на фигуре 16 - вид спереди на Г-образные уплотняющие элементы, на фигуре 17 - вид сзади на Г-образные уплотняющие элементы, на фигуре 18 - вид сверху на Г-образные уплотняющие элементы поршня с его частичным разрезом, на фигурах 19, 20, 21, 22 - схема принципа действия роторно-поршневого дизельного двигателя.
Тепловоз содержит раму 1 с ходовыми тележками 2 и подвесками, кузов 3, установленный на раме и имеющий водительские 4 и моторное 5 отделения. Внутри моторного отделения установлены силовая установка 6, тяговый генератор 7, механически соединенный с силовой установкой, двухмашинный агрегат 8, содержащий генератор для питания обмоток возбуждения тягового генератора и генератор для зарядки аккумуляторных батарей и питания различных потребителей, механически соединенный с тяговым генератором, трехцилиндровый двухступенчатый компрессор 9, механически соединенный с силовой установкой. На верхней части кузова закреплены баллоны 10 пневматической системы торможения. Тяговые электродвигатели 11 закреплены на ходовых тележках и через контроллер 12 подключены к тяговому генератору и к тормозным реостатам 13, механически тяговые электродвигатели соединены с колесными парами, а пневматически связаны с вентиляционными системами охлаждения 14, размещенными в нижней части кузова. Силовая установка тепловоза выполнена в форме нескольких, одинаковых по конструкции силовых блоков 15. Каждый из них представляет собой роторный поршневой дизельный двигатель, содержащий горизонтальный цилиндр 16 с рубашкой охлаждения, выполненный за одно с фундаментальной рамой 18 и закрытой передней 19 и задней 20 крышками. Передняя крышка имеет выпускные окна 21, соединенные с выпускными трубами 22. Задняя крышка имеет впускные окна 23, пневматически соединенные с выпускными трубами 24 ротационной воздуходувки 25, впускная труба которой соединена с воздушным фильтром 26. Впускные и выпускные окна соосны друг с другом. Внутрь цилиндра вставлен Z-образный ротор 27 с Г-образными уплотнительными элементами 28, вставленными в пазы 29 и контактирующими с пружинами 30, выполненный за одно с валом 31, концы которого пропущены в отверстия передней и задней крышек. На противоположных концах ротора выполнены выступы 32 в форме треугольников, повернутых своими вершинами в сторону, противоположную вращению ротора. На противоположных сторонах ротора установлены поршни 33 с Г-образными уплотнительными элементами, выполненные в форме сегментов, обращенные своими сферическими поверхностями к внутренней поверхности цилиндра. Каждый поршень имеет выступ 34, наклонную направляющую 35, установленную под углом α к основанию поршня, равным 68 градусов, входящих соответственно в паз и наклонный канал 36 ротора. На задней поверхности каждого поршня закреплен палец 37, входящий в профилированный паз 38, выполненный на внутренней поверхности задней крышки. Поршни установлены с возможностью вращения вместе с ротором и радиального перемещения. Поршни и ротор размещены в поперечной плоскости относительно вала. Сферические поверхности и боковая часть поршней, зубчатые поверхности ротора и внутренняя поверхность цилиндра образуют две камеры сгорания 39, имеющие форсунки 40, связанные с системой питания двигателя и две впускные-выпускные камеры 41, соединенные с впускными и выпускными продувочными окнами. Система питания содержит топливный бак 42, топливный насос 43, топливный фильтр 44, насос высокого давления 45 с ручкой 46 управления подачей топлива, связанные между собой трубопроводами. Валы всех силовых блоков соединены между муфтами 47 и на них закреплены маховик 48, ведущие шестерни 49 привода вспомогательных агрегатов, а также водяного 50 и масляного 51 насосов, входящие в зацепление с ведомыми шестернями 52. На одном из силовых блоков закреплен стартер 53, шестерня 54 которого взаимодействует с зубчатым венцом маховика. Каналы 55 соединены с атмосферой.
Работа тепловоза
После проверки всех систем тепловоза производится запуск силовой установки 6. При этом напряжение от аккумуляторных батарей подается на стартер 53, шестерня 54 которого входит в зацепление с зубчатым венцом маховика 48 и вращает вал 31 роторно-поршневого дизельного двигателя. Через некоторое время двигатель запускается и работает следующим образом.
1
2
3
3
2
4
5
В исходном положении (фиг.21) ротор 27 занимает вертикальное положение. Впускные 23 и выпускные 21 окна открыты. Воздух через воздушный фильтр 26 засасывается ротационной воздуходувкой 25 и подается во впускные-выпускные камеры 41, где он вытесняет отработанные газы через выпускные окна 21 и выпускные трубы 22 в атмосферу. Впускные-выпускные камеры 41 заполняются чистым воздухом. Поршни 33 до конца сдвинуты к ротору 27, который далее поворачивается в направлении, показанном стрелкой. При этом чистый воздух постепенно перемещается из впускных-выпускных камер 41 в камеры сгорания 39, одновременно сжимаясь. Далее впускные 23 и выпускные 21 окна закрываются (фиг.22). Поршни 33 за счет пальцев 37, движущихся по профилированному пазу 38, перемещаются в сторону от оси вращения и сжимают находящийся внутри воздух до необходимой величины. Как только ротор 27 займет положение, показанное на фигуре 19, воздух будет полностью перемещен в камеры сгорания 39, сжат и нагрет до нужной температуры. За 10-20 градусов до указанного положения через форсунки 40 в камеры сгорания 39 подается топливо (на фигуре 19 показано стрелками) насосом высокого давления 45. Топливо от высокой температуры воспламеняется и сгорает, а возникшие газы производят давление на сферические и боковые части поршней 33 и выступы 32 ротора 27. При этом силы F и F создают пару сил, приводящую ротор 27 во вращение в направлении, показанном стрелкой. Силы F и F взаимно уравновешивают друг друга так, как равны по величине, направлены в противоположные стороны и действуют на равные площади, но по мере поворота ротора сила F будет уменьшаться (поршни станут перемещаться к центру вращения), а сила F будет увеличиваться. Силы F и F, действующие на сферические поверхности поршней, не препятствуют вращению ротора так, как их векторы направлены навстречу друг другу через центр вращения (на фигуре 19 показано пунктиром). Далее, достигнув положения, показанного на фигуре 20, все начитается сначала. Частота вращения и мощность двигателя регулируется ручкой 46 насоса высокого давления 45 путем увеличения или уменьшения количества подаваемого топлива. За один оборот вала 31 в одном силовом блоке происходит четыре рабочих хода. После запуска силовой установки 6 вал тягового генератора 7 приходит во вращение и вырабатывается энергия для движения тепловоза, управление которым ничем не отличается от управления обычным тепловозом.
Положительный эффект: более высокий КПД и мощность силовой установки при меньшем весе и объеме, уменьшение вибрации вследствие отсутствия неуравновешенных масс, экономия топлива за счет отсутствия кривошипно-шатунного и газораспределительного механизмов, упрощение конструкции силовой установки, более высокая приемистость двигателя и соответственно повышенная маневренность.