RU140285U1 - TRANSPORT INTERNAL COMBUSTION ENGINE WITH AUTOMATIC TORQUE CONTROL - Google Patents

Abstract

1. Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента, состоящий из свободнопоршневых генераторов газа, расширительной поршневой машины паровозного типа с золотниковыми камерами, турбокомпрессоров, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен регулятором давления, кинематически связанным с внешним газораспределительным механизмом, а свободнопоршневые генераторы газа снабжены форсункой для впрыска воды, которая расположена в теле цилиндров сгорания, при этом свободнопоршневые генераторы газа и расширительная поршневая машина паровозного типа соединены между собой патрубками через ресивер, соединенный трубопроводом с регулятором давления.2. Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента по п.1, отличающийся тем, что за турбинами турбокомпрессоров по потоку рабочего тела расположен конденсатор-сепаратор.1. A transport engine of internal combustion with automatic torque control, consisting of free-piston gas generators, an expansion piston engine of a steam locomotive type with spool chambers, turbochargers, characterized in that it is additionally equipped with a pressure regulator kinematically connected to an external gas distribution mechanism, and free-piston gas generators equipped with a nozzle for water injection, which is located in the body of the combustion cylinders, while free-piston generators s gas and expansion piston machine locomotive type interconnected pipes through the receiver connected to conduit davleniya.2 regulator. A transport internal combustion engine with automatic torque control according to claim 1, characterized in that a condenser-separator is located behind the turbines of the turbocompressors along the flow of the working fluid.

Description

Полезная модель относится к двигателям внутреннего сгорания колесных транспортных средств, а более конкретно - к силовым установкам автономных локомотивов.The utility model relates to internal combustion engines of wheeled vehicles, and more specifically to the power plants of autonomous locomotives.

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.The locomotive with a direct connection of the shaft of the internal combustion engine and the driving wheels has insufficient traction during acceleration after starting and excessive in the zone of high speeds. To bring the locomotive into motion requires an additional power plant.

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.Known designs of power plants of diesel locomotives with mechanical generators of compressed gas (see. Shelest P. A. Combined turbo-piston engines. M., Mashgiz, 1958). In them, the heat engine is kinematically connected with a reciprocating compressor. The working fluid obtained by burning fuel in an air compressed in a compressor enters a tank through a pipeline connected by another pipeline to a locomotive-type piston expansion machine or gas turbine, which drives the locomotive's drive axes. The most favorable traction characteristic is obtained when using a piston machine. As a heat engine, a diesel engine or gas turbine is used to drive the compressor. The torque developed by the expansion machine is controlled by changing the gas pressure or the degree of filling of the cylinder by manually rearranging the external gas distribution elements.

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.The presence of a crank mechanism and a crankshaft in a mechanical gas generator leads to a complication and weighting of the structure. These disadvantages are eliminated in free-piston gas generators, including shaftless internal combustion engines operating on a two-stroke diesel cycle.

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.Power plants of diesel locomotives with free-piston gas generators are known, in which a gas turbine is used as an expansion machine (see Shelest P.A. Combined turbo-piston engines. M., Mashgiz, 1958; Elistratov F.M., Kolyuko V.M., Tomilin MS Power plants with free-piston gas generators. L., Sudpromgiz, 1959; Bartosh ET. Gas turbine in railway transport. M., "Transport", 1972). The temperature of the working fluid allowed by the turbine allows, if necessary, cooling the combustion products by mixing them with air. The minimum fuel consumption of the turbine is achieved in a narrow range of shaft speeds. Therefore, to ensure the most economical operation of the turbine, diesel locomotives are equipped with a two-stage mechanical or hydromechanical transmission of torque from the turbine shaft to the wheel pairs. The torque is controlled by changing the gear ratio of the gearbox or filling and emptying the corresponding hydraulic units.

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.The closest in technical essence to the claimed object is a device in which the gas generator is made according to a shaftless scheme, and the compressed gas expands in a piston machine (see Petrov P.P. Combined power plants for railway transport, http: //www.ekip. pro / stati / keu gt.pdf). It is taken as a prototype.

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.The prototype device includes free-piston gas generators with a two-stage reciprocating piston compressor, a double-acting V-shaped expansion piston machine with a 90 ° cylinder collapse, and a turbocharger. The required temperature of the working fluid is achieved by mixing the combustion products with air. In the flow of the working fluid, the turbocharger turbine is located behind the piston expansion machine, and the radial compressor is in front of the compressors of free-piston gas generators. This ensures the constancy of the locomotive power in a limited speed range with a fixed cut-off. The extension of this range requires an increase in the range of torque control and is associated with an increase in the mass and dimensions of the expansion machine. Therefore, to increase the range of torque control, an intermediate two-stage mechanical transmission or hydraulic transmission using hydraulic couplings is used.

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.The use of power plants with the placement of gas generators and an expansion machine in separate units degrades the locomotive's mass and dimensions and inevitably leads to thermal and hydraulic losses in the connecting pipelines, which reduces the efficiency of the locomotive as a whole.

Техническим результатом заявляемой полезной модели является:The technical result of the claimed utility model is:

- снижение температуры продуктов сгорания свободнопоршневого генератора газа впрыском воды для использования в расширительной поршневой машине паровозного типа;- lowering the temperature of the combustion products of a free-piston gas generator by water injection for use in a locomotive type expansion piston machine;

- автоматическое поддержание заданной мощности двигателя во всем скоростном диапазоне путем плавного регулирования крутящего момента в соответствии с изменяющейся нагрузкой.- automatic maintenance of a given engine power in the entire speed range by continuously adjusting the torque in accordance with the changing load.

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.The objective of the claimed utility model is to increase the efficiency and the creation of a compact locomotive power plant by combining free-piston gas generators and a piston expansion machine into one unit, which can significantly simplify the locomotive's power plant by refusing an intermediate torque transmission link.

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.The essence of the utility model consists in the fact that a transport internal combustion engine with automatic torque control with free piston gas generators, an expansion piston engine of a steam locomotive type with spool chambers, turbochargers is additionally equipped with a pressure regulator kinematically connected to an external gas distribution mechanism, which allows you to automatically adjust the torque engine by changing the degree of filling of the cylinders of the piston expansion machine other. Before purging, a nozzle for water injection, located in the body of the combustion cylinders of free-piston gas generators, injects water from the engine cooling system into them to reduce the temperature of the combustion products. Water, turning into superheated steam, mixes with hot gases, forming a gas-vapor mixture, which is a working fluid. Between the outlet windows of the free-piston gas generators and the inlet windows of the spool chambers of the piston expansion machine, there is a receiver that smooths out the fluctuations in the pressure of the working fluid. The receiver is connected to the cylinders of combustion of free-piston gas generators and the spool chambers of the piston expansion machine by nozzles, and to the pressure regulator by a pipe. The piston cylinders of the piston expansion machine are directly connected to the drive wheel pair by a drawbar mechanism.

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.The engine contains at least four free-piston gas generators and a piston expansion machine with at least two cylinders. Each cylinder of the piston expansion machine is connected in the flow of the working fluid with two free-piston gas generators and one turbocharger; behind the turbines of the turbocompressors, a condenser-separator is located along the flow of the working fluid. The presence of several free-piston gas generators allows you to turn off some of them when the load is reduced. At the same time, the free-piston gas generators remaining on are operating in the most economical mode.

Конструкция заявляемого устройства упрощается за счет того, что между свободнопоршневыми генераторами газа и цилиндрами поршневой расширительной машины отсутствуют соединительные трубопроводы.The design of the claimed device is simplified due to the fact that between the free-piston gas generators and the cylinders of the piston expansion machine there are no connecting pipelines.

Предлагаемая полезная модель схематически иллюстрируется чертежом, на котором представлен общий вид заявляемого транспортного двигателя внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента.The proposed utility model is schematically illustrated by a drawing, which shows a General view of the inventive transport internal combustion engine with automatic torque control.

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.Each free-piston gas generator consists of a combustion cylinder 1, a buffer cavity 2, compressor cavities low 3 and high 4 pressure, self-acting valves 5 and communicates through a receiver 6 with spool chambers 7 of the cylinders 8 of the piston expansion machine. The injected air is first compressed in the turbocharger 9, and then through the valves 5 sequentially enters the compressor cavities 3, 4 and then into the combustion cylinder 1 of the free-piston gas generators. A nozzle 10 is used for fuel injection, and a nozzle 11 is used for water injection. A power piston 12 is connected in the cylinder 8 of the piston expansion machine, connected by a rod 13 to a crosshead 14. The crosshead is connected by a connecting rod 15 to a pin 16 of the drive axle 17. A counter-crank is mounted on the pin of the drive axle 18, driving the link 19 of the external gas distribution mechanism. The drive wheels are equipped with counterweights 20. In the spool chamber, the spool 21 is moved, which regulates the valve timing of the piston expansion machine.

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.The receiver 6 communicates with a pressure regulator pipe, on the piston 22 of which the pressure of the vapor-gas mixture acts on the one hand and the spring force 23 on the other. If the performance of the free-piston gas generators and the gas-gas mixture flow is violated by the piston expansion machine, the pressure in the receiver changes. Under the action of the spring 23, the piston 22 of the pressure regulator moves, moving the spool 24 of the servomotor from the middle position. The oil pumped by a gear pump (not shown) enters one of the cavities of the servomotor cylinder 25 and exerts pressure on the piston 26 of the servomotor, changing the position of the external gas distribution mechanism, as a result of which the run of the spool 21 and the degree of filling of the cylinder 8 of the piston expansion machine are changed. Depending on the direction of movement of the locomotive, oil enters either through the internal cavity between the pistons of the spool 24, or through the cavity outside the spool 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.The engine also contains a condenser - separator 27, which serves to cool the vapor-gas mixture exiting the turbine of the turbocompressor 9, condensate the spent steam contained in it and discharge the resulting condensate into the water cooling system of the engine.

Основные преимущества тепловоза, оборудованного предлагаемым двигателем:The main advantages of a locomotive equipped with the proposed engine:

1. Упрощение конструкции и компактность силовой установки. Двигатель по своим габаритам может размещаться непосредственно на раме тележки.1. Simplification of the design and compactness of the power plant. The engine in its dimensions can be placed directly on the frame of the trolley.

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.2. Lack of costly and massive electrical transmission. This reduces the construction cost of the locomotive, the cost of its maintenance and repair and increases operational reliability. The locomotive is less prone to skidding and can work indefinitely in the low-speed zone.

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 0,25-0,27.3. The efficiency on the wheel rim in traction mode is practically independent of power and is 0.4-0.42, while for diesel locomotives with electric transmission it does not exceed 0.3 with an average operational value of 0.25-0.27 .

4. Полное использование номинальной мощности двигателя во всем диапазоне рабочих скоростей.4. Full utilization of rated engine power over the entire range of operating speeds.

5. Возможность отключения подачи топлива на холостом ходу.5. The ability to turn off the fuel at idle.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания полезной модели:Sources of information taken into account when compiling a description of a utility model:

1. Шелест П.А. Комбинированные турбопоршневые двигатели. М., Машгиз, 1958.1. Shelest P.A. Combined turbo piston engines. M., Mashgiz, 1958.

2. Елистратов Ф.М., Колюко В.М., Томилин М.С.Силовые установки со свободнопоршневыми генераторами газа. Л., Судпромгиз, 1959.2. Elistratov F.M., Kolyuko V.M., Tomilin M.S. Power plants with free-piston gas generators. L., Sudpromgiz, 1959.

3. Бартош Е.Т. Газовая турбина на железнодорожном транспорте. М., "Транспорт", 1972.3. Bartosh E.T. Gas turbine in the railway transport. M., "Transport", 1972.

4. Петров П.П. Комбинированные энергетические установки для железнодорожного транспорта, http://www.ekip.pro/stati/keu gt.pdf.4. Petrov P.P. Combined power plants for railway transport, http://www.ekip.pro/stati/keu gt.pdf.

Claims (2)

1. Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента, состоящий из свободнопоршневых генераторов газа, расширительной поршневой машины паровозного типа с золотниковыми камерами, турбокомпрессоров, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен регулятором давления, кинематически связанным с внешним газораспределительным механизмом, а свободнопоршневые генераторы газа снабжены форсункой для впрыска воды, которая расположена в теле цилиндров сгорания, при этом свободнопоршневые генераторы газа и расширительная поршневая машина паровозного типа соединены между собой патрубками через ресивер, соединенный трубопроводом с регулятором давления.1. A transport engine of internal combustion with automatic torque control, consisting of free-piston gas generators, an expansion piston engine of a steam locomotive type with spool chambers, turbochargers, characterized in that it is additionally equipped with a pressure regulator kinematically connected to an external gas distribution mechanism, and free-piston gas generators equipped with a nozzle for water injection, which is located in the body of the combustion cylinders, while free-piston generators s gas and the expansion piston machine locomotive type nozzles are interconnected through a receiver coupled to the pipeline to the pressure regulator. 2. Транспортный двигатель внутреннего сгорания с автоматическим регулированием крутящего момента по п.1, отличающийся тем, что за турбинами турбокомпрессоров по потоку рабочего тела расположен конденсатор-сепаратор.

2. A transport internal combustion engine with automatic torque control according to claim 1, characterized in that a condenser-separator is located behind the turbines of the turbocompressors in the flow of the working fluid.

Images