СИЛОВАЯ УСТАНОВКА ЛОКОМОТИВА
LOCOMOTIVE POWER PLANT

Изобретение относится к машиностроению, а именно к устройствам для регулирования наддува силовых установок с двигателями внутреннего сгорания, эксплуатируемых на транспортных средствах, преимущественно на тепловозах.
Известна силовая установка транспортного средства (см. Тепловозы 2ТЭ10М, 3ТЭ10М. Устройство и работа С.Г.Филатов и др. М.: Транспорт 1986, 288 с., ил.), содержащая дизель, соединенный выпускным и впускным воздухопроводами с двумя турбокомпрессорами, компрессор тормозной системы, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания и через устройство осушки связанный воздухонапорной магистралью сжатого воздуха с питательной магистралью.
Недостатком установки являются энергозатраты, обусловленные необходимостью выработки дополнительной массы сжатого воздуха для подачи во всасывающий трубопровод турбокомпрессора.
Известна силовая установка локомотива (см. а.с. СССР №1701576, МКл В60К 13/00, 1991. Бюл. №48), содержащая двигатель внутреннего сгорания, сообщенный выпускным и впускным воздухопроводами с двумя турбокомпрессорами, компрессор тормозной системы, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания, и сообщенные воздухонапорной магистралью через устройство осушки сжатого воздуха с питательной магистралью пылеотделитель, холодильник с регулятором температуры и органом управления подачи сжатого воздуха, последовательно соединенным между собой трубопроводом, при этом один конец трубопровода связан с выпускным воздуховодом двигателя внутреннего сгорания, а другой конец связан с устройством осушки сжатого воздуха.
Недостатком являются энергозатраты, связанные с выработкой сжатого воздуха для тормозной системы в разных погодно-климатических условиях эксплуатации силовой установки локомотива, когда изменяются плотность всасываемого воздуха и, соответственно, массовая производительность компрессора.
Технической задачей изобретения является энергосбережение при производстве сжатого воздуха для тормозной системы путем поддержания нормированно необходимой массовой производительности компрессора в условиях эксплуатации за счет осуществления периодического привода в движение двигателем внутреннего сгорания с регулированием потребляемой мощности привода компрессора в зависимости от изменяющейся температуры всасываемого атмосферного воздуха.
Технический результат по снижению энергозатрат на производство сжатого воздуха достигается тем, что силовая установка локомотива содержит компрессор тормозной системы, приводимый в движение двигателем внутреннего сгорания, снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходом регулятора температуры атмосферного воздуха, и датчиком температуры атмосферного воздуха, подсоединенным к регулятору температуры атмосферного воздуха, который содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с выходом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, на выходе подключенным к регулятору скорости вращения в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода компрессора тормозной системы.
На чертеже изображена принципиальная схема предложенной силовой установки транспортного средства с автоматизированным контролем температуры атмосферного всасываемого воздуха в компрессор тормозной системы.
Схема состоит из двигателя 1 внутреннего сгорания с воздушным ресивером 2, соединенного выпускным 3 и впускным 4 воздухопроводами с двумя турбокомпрессорами 5, компрессора тормозной системы 6, приводимого в движение двигателем 1 внутреннего сгорания и связанного воздухонапорной магистралью 7 через устройство 8 осушки сжатого воздуха с питательной магистралью 9, пылеотделителя 10, холодильника 11 с регулятором 12 температуры и органа 13 управления подачей сжатого воздуха, последовательно соединенных между собой трубопроводом 14, при этом устройство 8 осушки сжатого воздуха представляет собой два адсорбера 15 и 16, соединенных между собой клапанами 17-20 и связанных с воздухонапорной магистралью 7 клапанами 21 и 22, а с трубопроводом 14 клапанами 23 и 24.
Компрессор тормозной системы 6, приводимый в движение двигателем 1 внутреннего сгорания, снабженным приводом 25 с регулятором скорости вращения 26, соединенным с выходом регулятора 27 температуры атмосферного всасываемого воздуха, который содержит блок сравнения 29 и блок задания 30. При этом блок сравнения 29, соединенный с входом электронного усилителя 31, соединен с входом магнитного усилителя 32 с выпрямителем, на выходе подключенным к регулятору скорости вращения 26 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 25 компрессора тормозной системы 6.
Силовая установка транспортного средства работает следующим образом.
При работе двигателя внутреннего сгорания 1 по выпускному воздухопроводу 3 выпускные газы поступают к турбокомпрессорам 5, после чего выбрасываются в атмосферу. В турбокомпрессоре на одном валу смонтированы турбинное и насосное колеса. Энергия расширения выпускных газов, реализуемая турбинным колесом, превращается в механическую энергию вращения центробежного насосного колеса компрессора, которое сжимает атмосферный воздух, поступающий от воздушных фильтров.
Датчик температуры 28 атмосферного воздуха размещен на входном патрубке компрессора тормозной системы 6, и, например, при увеличении температуры всасываемого атмосферного воздуха выше нормированной (20°С, см. Баранников Н.Н. Расчеты параметров влажного воздуха для пневматических и вентиляционных установок и кондиционеров, М.: Недра, 1975-272 с., ил., сигнал, поступающий с датчика температуры 28 атмосферного воздуха, становится меньшим, чем сигнал блока задания 30, и на выходе блока сравнения 29 появится сигнал положительной полярности, который поступит на вход электронного усилителя 31 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обработкой связи блока 32. За счет этого в электронном усилителе 31 компенсируется нелинейность характеристики привода 25 компрессор 6. Сигнал с выхода электронного усилителя 31 поступает на вход магнитного усилителя 33, где усиливается по мощности выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 26 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Положительная полярность сигнала электронного усилителя 31 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 33. В результате повышается момент от привода 25 компрессора 6, передаваемый на регулятор скорости вращения 26 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, за счет чего достигается увеличение необходимого количества атмосферного воздуха, поступающего во входной патрубок компрессора 6, так как, как известно, при увеличении температуры атмосферного воздуха, плотность его увеличивается и, следовательно, сокращается массовая производительность компрессора 6 по сжатому воздуху, направленному в питательную магистраль 9. Поэтому данное увеличение скорости вращения привода 25 поддерживает нормированно необходимое количество сжатого воздуха, поступающего в питательную магистраль 9 при повышенной температуре атмосферного всасываемого воздуха.
При понижении температуры атмосферного воздуха ниже нормированной (20°С), когда плотность воздуха, поступающего через входной патрубок, возрастет, сигнал, поступающий с датчика температуры 28 атмосферного воздуха, становится большим, чем сигнал блока задания 30, и на выходе блока сравнения 29 появится сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 31 одновременно с сигналом отрицательной нелинейности и обратной связи блока 32. Сигнал с выхода электронного усилителя 31 поступает на вход магнитного усилителя 33, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 26 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 31 вызывает уменьшение тока возбудителя на выходе магнитного усилителя 33. В результате снижается момент от привода 25 компрессора 6, передаваемый на регулятор скорости вращения 26 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, за счет чего достигается уменьшение необходимого количества атмосферного воздуха, поступающего во входной патрубок компрессора 6, так как при уменьшении температуры окружающей среды плотность атмосферного всасываемого воздуха увеличивается и, следовательно, возрастает массовая производительность компрессора 6 по сжатому воздуху, направляемому в питательную магистраль 9.
Автоматизированная система контроля изменения температуры и соответственно плотности атмосферного воздуха с поддержанием нормированно необходимой массовой производительности компрессора при производстве сжатого воздуха обеспечивает экономию энергозатрат от 12 до 15% (см., например, Курчавин В.М. Экономия тепловой и электрической энергии в поршневых компрессорах. - М: Машиностроение. 1985 - 80 с., ил.).
Компрессор тормозной системы 6, приводимый в движение распределительным редуктором от ДВС 1, нагнетает сжатый воздух по воздухопроводу 7 в устройство 8 осушки и далее в питательную магистраль 9. В устройстве 8 осушки сжатого воздуха адсорбер 15 работает, например, в режиме осушки и адсорбер 16 - в режиме регенерации. Тогда сжатый влажный воздух из воздухопровода 7 через открытый клапан 21 (клапан 22 закрыт) поступает в адсорбер 15, где осушается, и через клапан 19 поступает в питательную магистраль 9. Часть осушенного сжатого воздуха из адсорбера 15 после нагрева в подогревателе (не указано) через клапан 13 (клапан 17 закрыт) поступает в адсорбер 16. Проходя через адсорбер 16, подогретый сухой сжатый воздух разогревает находящийся в нем адсорбент и через открытый клапан 24 (клапан 23 закрыт) направляется в трубопровод 14. Вместе с воздухом из адсорбера 16 удаляется влага, накопившаяся в адсорбенте. Насыщенный влагой сжатый воздух по трубопроводу 14 поступает в пылеотделитель 10, где очищается от продуктов истирания адсорбента, и далее в холодильник 11 для охлаждения до температуры, значение которой задается регулятором 12 температуры. Очищенный от продуктов истирания адсорбента охлажденный и насыщенный влагой процесса регенерации сжатый воздух по трубопроводу 14 через орган 13 управления подачи сжатого воздуха поступает во впускной воздухопровод 4, где смешивается с атмосферным воздухом, поступающим после сжатия из турбокомпрессора 5, и далее по воздушным ресиверам 2 в цилиндры ДВС 1.
Адсорберы 15 и 16 в устройстве осушки сжатого воздуха работают в цикличном режиме и переключаются, например, через 4 ч. Тогда адсорбер 15 переводится в режим осушки, а адсорбер 16 - в режим регенерации, для этого клапаны 20, 22, 17 и 23 открываются, а клапаны 21, 19, 18 и 24 закрываются. В процессе эксплуатации силовой установки транспортного средства по трубопроводу 14 через орган 13 управления подачи сжатого воздуха подается дополнительный наддувочный воздух. При этом давление поступающего из устройства 8 осушки сжатого воздуха превышает давление атмосферного воздуха, подаваемого турбокомпрессорами 5 после соответствующего ступенчатого сжатия на величину, обеспечивающую эффективное смешивание во впускном воздухопроводе 4.
Постоянное использование охлажденного очищенного от продуктов истирания адсорбента и увлажненного влагой десорбции воздуха при подаче в цилиндры ДВС не только повышает эффективность рабочего процесса, но и способствует снижению токсичности отработанных газов. В настоящее время установлены жесткие нормы по токсичности отработанных газов, поэтому использование в качестве дополнительного наддувочного воздуха, насыщенного влагой процесса регенерации, является актуальным, а осуществление данного процесса на предлагаемом устройстве является одним из решений по улучшению экологических показателей ДВС. Известно, что турбокомпрессор работает с максимальным значением КПД на расчетном режиме, который у большинства двигателей является режимом номинальной мощности.
Дополнительный наддувочный воздух, поступающий из устройства осушки сжатого воздуха, рассматривается как элемент регулируемого наддува, т.е. воздух, подаваемый, минуя турбокомпрессор, в заданном объеме, определяемом органом управления подачи сжатого воздуха, практически не зависит от режимов работы дизеля.
Кроме того, использование воздуха системы осушки транспортного средства может повысить приспосабливаемость двигателя не только к изменяющемуся режиму работы, но и к изменяющимся погодно-климатическим условиям эксплуатации, так как колебания температуры и давление атмосферного воздуха изменяют КПД турбокомпрессора.
Оригинальность предложенного изобретения по снижению энергоемкости производства сжатого воздуха для тормозной системы и соответственно повышение эффективности работы силовой установки локомотива заключается в выполнении взаимосвязанной системы электронного контроля плотности атмосферного воздуха в изменяющихся погодно-климатических условиях эксплуатации компрессора тормозной системы с регулированием скорости времени привода отбора мощности от двигателя внутреннего сгорания посредством блока порошковых электромагнитных муфт.