Невоплощенные в металл идеи
Из архивов патентно-технической библиотеки
В публикуемом выпуске рассматриваются некоторые изобретения касающиеся силовых установок тепловозов. Во Всероссийской патентной библиотеке материалы по двигателям внутреннего сгорания (ДВС) расположены по классам F01 и F02.
Специалисты МИИТа вас. СССР № 1590582 класс МКИ F01P 11/22 (бюллетень изобретений № 33 за 1990 г.) предлагают изменить
«Систему охлаждения двигателя внутреннего сгорания» Это позволяет увеличить время простоя тепловоза при неработающем дизеле, сократить время предпускового прогрева защитить секции холодильника при низких температурах окружающего воздуха В основу изобретения положена идея осушки водяного радиатора при длительной стоянке локомотива с заглушенным дизелем.
При работе ДВС перепускной клапан 8 (рис. 1) находится в положении, создающем проход воды в радиатор 9 и перекрытие байпасного трубопровода 12. Дополнительный запорный орган 11 занимает положение, при котором он перекрывает сливной трубопровод 10 и открывает проход жидкости к насосу 15. Двухпозиционный орган 16 блокирует источник 5 сжатого воздуха и одновременно соединяет паровоздушный трубопровод с расширительной емкостью 3 которая обеспечивает пополнение утечки воды и создает напор на входе в насос 15.
При осушении радиатора 9 срабатывает перепускной клапан 8, направляя весь поток жидкости по байпасному трубопроводу 12 во всасывающий патрубок 14 циркуляционного насоса 15 Вслед за этим орган 11 переводится в положение, при котором он перекрывает вход в насос 15 и соединяет выход радиатора 9 со сливным трубопроводом 10 В результате прекращается циркуляция охлаждающей воды через радиатор.
Запорный орган 6 переходит в положение, обеспечивающее соединение трубопровода 7 с источником 5 сжатого воздуха и отсоединение от расширительной емкости 3. Сжатый воздух вытесняет воду из радиатора 9, полностью осушая его. Через сливной трубопровод 10 вода вытесняется в емкость 3.
Для заполнения опорожненного участка при пуске дизеля 1 запорный орган 6 переключается в первоначальное положен ie перепускной клапан 8 — в положение, когда магистраль 2 подключена к радиатору 9. Вода заполняет радиатор и через сливной трубопровод 20 поступает в емкость 3, откуда через подлиточную трубу 13 возвращается в систему. Воздух выходит в атмосферу через паровоздушный трубопровод 7 и орган 6 После полного заполнения системы запорный орган 11 перекрывает
сливной трубопровод 10 и открывает проход жидкости из радиатора к насосу.
В США запатентован < Клапан для автоматического слива охлаждающей воды дизеля при снижении ее температуры» (патент Nr 4460007 класс МКИ ЕОЗВ 7/10 и F16K17/38). Клапан предназначен для аварийного слива воды из системы охлаждения дизеля в случае если температура ее снизилась ниже определенного минимально допустимого значения. Клапан 19 (рис. 2) закреплен на стакане 1, в котором находится сжатая пружина 2. Действие пружины сильнее, чем пружины 3, стремящейся поднять стакан 1. В пружину 2 упирается стержень 18, с которым винтом 4 соединяется крышка 6.
Диафрагма 5 из упругого синтетического материала изолирует часть клапана, связанного с трубопроводом системы охлаждения, от его верхней части не допуская туда воду. Крышка 6 навинчена на трубчатый элемент с пружинами 17, в которые упирается фланец 16, навинченный, как и кулак 8, на стержень 9. На кулак 8 через пружины 15 и фланец 10 воздействует поршень 14 с рабочим элементом 12, заполненный составом, изменяющим объем при изменении температуры. Для фиксации кулака 8 предусмотрены шарики 7.
Крышка 13 надевается на корпус 14 и помещается в таком месте, где испытывает температурное воздействие охлаждающей воды дизеля При снижении температуры воды ниже определенного значения поршень 14 поднимается и шарики 7 не препятствуют открыванию клапана 19 под действием пружины 3, поскольку нажатие пружины 2 ослаблено. В результате вода из системы сливается через отверстие 20
Аналогичный
«Клапан с термостатным управлением для систем охлаждения дизелей тепловозов» запатентован также в США (патент № 4508132 класс МКИ G05D 23/275 и F16К 31/122). Только здесь используются термостат и дополнительная пневматическая система управления, связанная с системой управления тепловоза
Сразу два изобретения посвящены проблеме экономии дизельного топлива на многосекционных тепловозах (или тепловозах, работающих по системе многих единиц). При чем, изобретение ВНИИЖТа и ПКБ ЦТ МПС позволило экономить топливо в режиме тяги, а изобретение специалистов США—в режиме динамического торможения. А.с N" 1390407 класс МКИ F02D 25/02 (бюллетень изобретений N°15 за 1988 г.)зарегистрировано под названием
«Система управления дизелями многосекционного тепловоза».
В описании представлена схема, позволяющая стабилизировать тяговое усилие тепловоза при переводе дизеля одной из секций в режим холостого хода и обратно. Повышение топливной экономичности обеспечивается переводом дизеля одной из секций на более высокую позицию, а дизеля другой секции — в режим холостого хода без потери суммарного тягового усилия тепловоза.
Американский патент № 4735385 класс МКИ В61С 5/00 имеет более конкретное название «Аппаратура и метод для уменьшения расхода топлива при динамическом торможении локомотива» На каждом тепловозе устанавливается электронно-вычислительная машина с микропроцессором, которая подсоединяется к датчикам. Каждый локомотив (или секция) тормозится по-разному, обеспечивая необходимую общую ступень динамического торможения. Поэтому реостаты динамического тормоза нагреваются в меньшей степени и на их охлаждение вентиляторами требуется меньший расход топлива.
Соединение выхлопных коллекторов тепловозного дизеля с глушителем требует сложной и весьма ненадежной соединительной муфты, испытывающей высокие термические и динамические нагрузки. В Германии запатентовано
«Объединение выхлопных трубопроводов» (патент № 3243855 класс МКИ F01N 7/08 и F16L 51/02) На рис. 3 показана муфта, состоящая из патрубка 4, по краям которого имеются мундштуки 8 с размещенными в них соединяемыми трубопроводами. Фланец 9 трубопровода связан с выхлопным коллектором дизеля, а фланец 6 — с потолочно-крышевой конструкцией глушителя. Концы трубопроводов в мундштуках герметизируются упругими уплотнениями 1, являющимися первым уровнем уплотнения.
Второй уровень герметизации обеспечивает оболочка 2, закрепляемая в крышках 7 Третий уровень уплотнения выполнен в виде гофрированного рукава или трубы 3. Гофрированная труба высокого качества, например,
труба Корсис в aspmarket.ru, обеспечивает долговременную защиту жгутов проводов от воздействия окружающей среды. Внутри этого рукава образуется охлаждающая полость, в которую через штуцеры 5 нагнетается под давлением воздух. Воздух, например, может подступать из базовой системы наддува дизеля или из других систем тепловоза, работающих на принцип сжатия или расжатия воздуха.
Специалисты наиболее развитых в областях науки и техники стран патентуют много деталей ДВС, выполненных из керамических материалов. В первую очередь, детали относятся к термонапряженным узлам, таким, как клапаны газораспределения, цилиндры, поршни и устройства теплоизоляции камеры сгорания. Можно напомнить достоинства присущие деталям из керамики (чаще всего применяются карбид и нитрид кремния). Это теплостойкость жесткость, малые плотность и теплопроводность, износостойкость, сопротивление коррозии низкий коэффициент теплового расширения.
Однако керамические материалы имеют и существенные недостатки, борьбе с которыми посвящены многие изобретения. К общеизвестным недостаткам можно отнести большую хрупкость, неоднородность механических свойств при производстве массовых деталей, повышенную чувствительность к образованию и быстрому развитию микротрещин и более высокую стоимость изготовления (до 2,5 раза по сравнению с металлическими изделиями).
В заявке специалистов Японии №63-94012 класс МКИ F01 3/02 предлагается технология изготовления
«Керамического клапана» газораспределения с применением порошка нитрида кремния
. Клапан состоит из центральной части (основы) и покрытия. Вначале формируется основа, которая затем помещается в форму с зазором. Зазор заполняется порошком с большим содержанием
и очень мелкими частицами После спекания на поверхности основы образуется слой высокопрочности и твердости.
Исследования показывают, что клапаны из керамики, работавшие в паре с закаленным металлическим седлом, имели средний износ в 6 раз меньше, чем стальные. Износ седел впускных клапанов в 9 раз, а выпускных — в 39 раз меньше, чем при стальных клапанах.
Изобретатели Великобритании в заявке № 2187533 класс МКИ F02F 3/12 предлагают
«Метод соединения керамической накладки с головкой поршня из алюминиевого сплава» Нижняя часть накладки содержит поры размером 20 — 40 мкм. Всю накладку нагревают до температуры в 400 — 600 , а литейную форму — до 200 — 400 °С. Верхнюю часть накладки помещают на дно формы В последнюю заливают расплавленный легкий сплав, который постепенно сжимают пуансоном. При этом часть алюминиевого сплава заполняет поры керамической накладки, образуя прочное механическое соединение накладки с головкой поршня.
В полученном американскими специалистами патенте № 4768476 класс МКИ FOIL 1/16 предлагается еще одна важная деталь механизма газораспределения, выполненная из керамики. Это
«Толкатель клапана с керамической рабочей поверхностью».
В данном патенте рекомендуется головку толкателя, контактирующую с кулачком распределительного вала, выполнять составной. Керамическая дисковая накладка (нашлепка) изготавливается еще из одного известного керамического материала — окиси циркония
. Он хорошо совместим в паре с чугуном и со стальным кулачком. Керамическая накладка обладает таким же коэффициентом теплового расширения, как и стальная часть головки.
Общеизвестно, что в самых неблагоприятных условиях на двигателе работает верхнее компрессионное кольцо поршня. Выбор формы и конструкции кольца производят с учетом выполняемых им функций, таких как: газоуплотнение камеры сгорания, максимальный отвод тепла от тела поршня в стенки гильзы и удаление излишков масла с ее стенок.
Поршневые кольца относятся к лабиринтному типу уплотнений с упругими подвижными элементами и поэтому в подобных уплотнениях неизбежна утечка газов. При повышенных утечках газов падает мощность из-за уменьшения рабочего заряда в камере сжатия. Кроме того, при длительной напряженной эксплуатации двигателя теряется упругость компрессионных колец, происходит закоксовывание канавок в теле поршня, что вызывает зависание и заклинивание колец, ускоряется старение и загрязнение масла. Конструкциям компрессионных колец изобретатели уделяют много внимания.
Также в США получен патент № 4774917 класс МКИ F22B 5/00 и F16J 1/01 (приоритет Японии №6146295 [u]) в котором предлагается необычная форма
«Верхнего компрессионного кольца поршня двигателя» В патентуемой конструкции поршень 2 (рис. 4) содержит канавку для верхнего компрессионного кольца, состоящего из верхнего участка 4 параллельного стенке цилиндра а также нижнего участка 5, наклоненного к оси цилиндра 6 под углом около 120°.
Кольцо повторяет форму канавки под него и между их соответствующими боковыми поверхностями образуются зазоры 3 и 1. При контактировании наклонных поверхностей канавки и кольца возникает сила реакции, со-ставляющая которой при движении поршня вверх направлена к оси цилиндра. Сила трения снижается уменьшается и износ пары.
При обратном движении составляющая силы реакции направлена в противоположную сторону и способствует увеличению силы прижатия кольца к поверхности цилиндра и улучшению уплотнения. Такая форма кольца способствует улучшению теплоотвода и предохранению головки поршня от перегрева. Кроме этой конструкции, в патенте рассмотрено кольцо, состоящее только из одного наклонного участка.
Канд. техн. наук
В.Н. БАЛАБИН
доцент МГУПСа (МИИТа)
