DE548545C

DE548545C - Process for generating heating steam on locomotives or railcars operated by internal combustion engines

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Publication number: DE548545C
Application number: DEJ41958D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1930-07-05
Filing date: 1931-06-30
Publication date: 1932-07-26

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizanlage für Lokomotiven oder Triebwagen, welche als Kraftquelle eine Brennkraftmaschine besitzen, deren Leistung durch elektrische Kraftübertragung den Triebachsen zugeführt wird. Da bei dieser Übertragungsart ein elektrischer Generator mit der Brennkraftmaschine gekuppelt ist, steht für Heizzwecke einerseits die Abwärme der Brennkraftmaschine, andererseits elektrische Energie zur Verfügung. Die Erfindung besteht nun in einer Kombination der Abwärmeheizung mit einer elektrischen Zusatzheizung, für welche die Energie dem für die elektrische Kraftübertragung benutzten Generator entnommen wird. Durch diese Kombination ist es möglich, unter Zuhilfenahme des für die Aufbringung der Zugleistung auf der Lokomotive vorhandenen Generators einen Ausgleich in der Abwärmelie-The invention relates to a heating system for locomotives or railcars, which as Power source have an internal combustion engine, the power of which by electrical power transmission is fed to the drive axles. Because with this type of transmission an electric generator is coupled to the internal combustion engine is, stands for heating purposes on the one hand the waste heat of the internal combustion engine, on the other hand electrical energy available. The invention now consists in a combination the waste heat heating with an additional electrical heater, for which the energy is used for the electrical power transmission Generator is removed. This combination makes it possible to use of the generator available to generate the tractive effort on the locomotive compensation in the waste heat

ao ferung der Brennkraftmaschine vorzunehmen. Da dessen Abwärmelieferung infolge veränderlicher Fahrbelastung gleichfalls veränderlich ist, wird erfindungsgemäß in Zeiten geringer Abwärmelieferung bei Unterbelastung ein Wärmelieferungsausgleich durch die Heran-ziehung der elektrischen Heizung bewirkt.ao to make the internal combustion engine. Since its waste heat delivery due to variable Driving load is also variable, according to the invention is less at times Waste heat delivery in the event of underload a heat delivery compensation through the use the electric heating causes.

Die Abwärmeheizung an sich ist bekannt, hat aber den Nachteil, daß bei stillstehender oder wenig belasteter Brennkraftmaschine, das ist bei Stillstand des Zuges oder bei Fahrt auf Gefällstrecken, keine oder zuwenig Wärme zur Verfügung steht. Dies hatte zur Folge, daß dieses bekannte Verfahren durch eine besondere Heizkesselfeuerung ergänzt werden mußte, deren praktische Durchbildung und Bedienung Schwierigkeiten macht.The waste heat heating is known per se, but has the disadvantage that when it is stationary or less loaded internal combustion engine, that is when the train is at a standstill or when driving on Slopes, no or too little heat is available. As a result, that this known method can be supplemented by a special boiler had to, whose practical training and operation make difficulties.

Die elektrische Kraftübertragung bietet nun eine Möglichkeit, diesem Übelstande in einfacher Weise abzuhelfen, indem eine in den Abwärmeheizkessel eingebaute elektrische Zusatzheizung nach Bedarf an den Generator der elektrischen Kraftübertragung angeschlossen wird.The electrical power transmission now offers a way of solving this problem in a more simple manner One way to remedy this is to add an electric booster heater built into the waste heat boiler is connected to the generator of the electrical power transmission as required.

Die elektrische Zusatzheizung an sich ist bekannt, z. B. als Ergänzung der Ofenheizung oder für ortsfeste Dampfkesselanlagen oder auch für Eisenbahnwagen, die auf Dampfund elektrisch betriebenen Strecken verkehren, und bildet daher nicht den Gegenstand der Erfindung, welche sich nur auf Fahrzeuge mit Brennkraftmaschinen und elektrischer Kraftübertragung bezieht.The electrical auxiliary heating per se is known, for. B. as a supplement to the furnace heating or for stationary steam boiler systems or for railroad cars that run on steam and run on electrically operated lines, and is therefore not the subject of the Invention, which only applies to vehicles with internal combustion engines and electrical power transmission relates.

Bei dieselelektrischen Fahrzeugen mit einer von der Antriebsmaschine unabhängigen Dauerheizung ist es ferner bekannt, zur Spitzendeckung des Wärmebedarfes den elektrischen Generator der Antriebsanlage zur Abgabe elektrischer Wärmeenergie heranzu-In diesel-electric vehicles with one that is independent of the prime mover Continuous heating, it is also known to use the electrical to cover the peak heat demand Generator of the drive system for the delivery of electrical thermal energy

ziehen. Diese ohne Ausnutzung der Abgaswärme der Brennkraftmaschine arbeitende elektrische Heizvorrichtung ist nur für Spitzendeckung verwendbar und ist sonst wegen der beträchtlichen Energieumwandlungsverluste unwirtschaftlich.draw. This working without utilizing the exhaust gas heat of the internal combustion engine electric heater is only usable for top coverage and is otherwise due the considerable energy conversion losses uneconomical.

Gerade die Kombination der elektrischen Heizung mit der Auspuffheizung entsprechend der Erfindung hat nämlich den Vorzug, daß ίο ein selbsttätiger Abwärmeausgleich mit dem Belastungsausgleich der Brennkraftmaschine Hand in Hand geht und der Wert der elektrischen Zusatzheizung wesentlich erhöht wird. Die Erklärung hierfür liegt darin, daß die Brennkraftmaschine nur dann Abwärme liefert, wenn sie genügend belastet ist, was durch Einschaltung der elektrischen Zusatzheizung erreicht wird. Durch die höhere Belastung der Brennkraftmaschine wird einerseits die Abwärme derselben vergrößert und unmittelbar im Heizkessel verwertet, andererseits die erzeugte elektrische Energie in Form von Wärme gleichfalls der Heizung zugeführt. Bei der vorliegenden Erfindung kommt also die elektrische Zusatzbelastung des Generators für die Heizung doppelt zur Auswirkung, nämlich erstens in Form der in Wärme umgesetzten Energie und zweitens in Form der erhöhten Abwärmelieferung der Brennkraftmaschine. Especially the combination of the electric heating with the exhaust heating accordingly the invention has the advantage that ίο an automatic waste heat compensation with the Load balancing of the internal combustion engine goes hand in hand and the value of the electrical Additional heating is increased significantly. The explanation for this is that the Internal combustion engine only supplies waste heat when it is sufficiently loaded, which is due to Activation of the electrical auxiliary heating is achieved. Due to the higher load the internal combustion engine, on the one hand, the waste heat of the same is increased and immediately used in the boiler, on the other hand the generated electrical energy in the form of Heat is also supplied to the heater. So comes with the present invention the additional electrical load of the generator for the heating doubles the effect, namely firstly in the form of the energy converted into heat and secondly in the form of increased waste heat delivery from the internal combustion engine.

Erfindungsgemäß werden zur Dampferzeugung ausschließlich die im Fahrzeug ohnedies vorhandenen Energiequellen verwertet, soweit sie beim Betrieb Abfall- und Überschußenergien liefern können. Denn sowohl die Auspuff- und Kühlwasserwärme als auch die elektrische Energie (in den Zeiten geringen oder aussetzenden Zugwiderstandes, d. h. bei stillstehendem Fahrzeug oder auf Gefällstrecken) stellen betriebsmäßige Abfall- bzw. Überschußenergien dar, welche unter Ausschluß anderer Heizmittel allein zur Dampferzeugung verwendet werden. Die kombinierte Heizanlage gewährleistet unter normalen Verhältnissen die durchgehende Heizung des Zuges und ermöglicht in wirtschaftlicher Weise die Vorheizung des Zuges vor Abfahrt.According to the invention, only those in the vehicle are used to generate steam anyway Existing energy sources are used to the extent that they are waste and excess energies during operation can deliver. Because both the exhaust and cooling water heat as well as the electrical energy (in times of low or intermittent tensile resistance, d. H. with the vehicle stationary or on inclines) represent operational waste or excess energies, which are excluded other heating means can only be used to generate steam. The combined heating system ensures under normal Conditions the continuous heating of the train and allows in more economical Way to preheat the train before departure.

Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer zur Ausübung des Verfahrens verwendbaren Einrichtung im Schema dargestellt. Bei Fahrzeugen mit elektrischer Kraftübertragung ist die Brennkraftmaschine V mit dem Generator G unmittelbar gekuppelt, welch letzterer die mechanische Leistung der Brennkraftmaschine in elektrische Energie umsetzt und damit die Elektromotoren zum Antrieb der Triebräder über die Leitungen L versorgt. Die Auspuffgase der Brennkraftmaschine V gelangen durch die Auspuff leitungen E in den Auspuffsammeiraum A, der von dem Wasserraum D umgeben ist, und von dort durch das Rohr R₁ welches durch den Dampfkessel B geführt ist zu dem Zwecke, weitere Wärme an den Dampfkessel abzugeben, ins Freie. In dem Kessel B sind außerdem elektrische Heizwiderstände W eingebaut, welche über die Schalter 5¹ an die Leitungen L des Generators vollständig oder teilweise angeschlossen werden können. Die Schalter 6" können hierbei als automatische oder aber bloß als Handschalter ausgebildet sein, wobei im Falle der Ausbildung als Automaten zur Steuerung derselben der Stromverbrauch der Elektromotoren herangezogen werden kann, da im Falle deren großer Belastung die volle elektrische Energie den Motoren zugeführt werden soll, während im Falle deren Unterbelastung oder deren Stillstandes ein Teil oder die volle elektrische Energie dem Heizwiderstand W im Dampfkessel B zugeführt werden soll, außerdem können die Automaten bei erreichtem Höchstdruck im Kessel B abschalten. Das Kühlwasser der Brennkraftmaschine V wird durch die Kühlwasserpumpe P durch Zylinderblock und Zylinderköpfe, hierauf durch den Speisewasservorwärmer VW und dann in den Kühler K, der mittels des Ventilators F belüftet wird, gedruckt. Vom Kühler K kehrt das Kühlwasser zur Pumpe zurück. The drawing shows an exemplary embodiment of a device that can be used to carry out the method. In vehicles with electrical power transmission, the internal combustion engine V is directly coupled to the generator G , which generator converts the mechanical power of the internal combustion engine into electrical energy and thus supplies the electric motors for driving the drive wheels via the lines L. The exhaust gases from the internal combustion engine V pass through the exhaust lines E into the exhaust collection space A, which is surrounded by the water space D , and from there through the pipe R ₁ which is passed through the steam boiler B for the purpose of giving off more heat to the steam boiler, into the open. In the boiler B electrical heating resistors W are also installed, which can be completely or partially connected via the switch 5 ¹ to the lines L of the generator. The switches 6 ″ can be designed as automatic or just as manual switches, with the power consumption of the electric motors being used to control the same in the case of training as automatic devices, since the full electrical energy is to be fed to the motors if they are heavily loaded, while in the case of their underload or their standstill, part or all of the electrical energy is to be fed to the heating resistor W in the steam boiler B , and the automats can also switch off when the maximum pressure is reached in the boiler B. The cooling water of the internal combustion engine V is supplied by the cooling water pump P through the cylinder block and Cylinder heads, then pushed through the feed water preheater VW and then into the cooler K, which is ventilated by means of the fan F. The cooling water returns from the cooler K to the pump.

Die Speisepumpe SP drückt das Speisewasser für die Heizkessel zuerst durch den Vorwärmer VW, wo demselben beispielsweise in einer besonderen Heizschlangenführung die Wärme des Kühlwassers zur Vorwärmung zugeführt wird, und von dort in den Wasserraum um das Auspuffsammeirohr A, welcher als erste Stufe des DampfkesselsB ausgebildet und mit diesem durch Steigrohre verbunden ist. Für die Dampferzeugung im Kessel B bzw. Wasserraum D können dadurch folgende, auf dem Triebwagen vorhandene Wärmeenergiequellen ausgenutzt werden: die Auspuffwärme der Abgase der Brennkraftmaschine, i°5 welche im Auspuffsammeiraum A bzw. Auspuffrohr R weitgehendst ausgenützt werden, außerdem die mechanischeLeistung der Brennkraftmaschinen V im Wege der Umwandlung in elektrische Energie im Generator G über die Heizwiderstände W₁ wobei erforderlichenfalls die ganze Leistung der Brennkraftmaschine in elektrische Heizenergie umgewandelt werden kann, und schließlich ein Teil des Wärmeinhaltes des Kühlwassers der Brennkraftmaschine V entweder, wie dargestellt, durch bloße Wärmeabgabe im Vorwärmer VW oder aber durch Entnahme des Dampfkesselspeisewassers aus der Kühlwasserumlaufleitung der Brennkraftmaschine V, wobei die ersterwähnte Ausnutzung wegen der Vermeidung größerer Kesselsteinbildungen na-The feed pump SP first pushes the feed water for the boilers through the preheater VW, where the heat of the cooling water is fed to it for preheating, for example in a special heating coil duct, and from there into the water space around the exhaust manifold A, which is designed as the first stage of the steam boiler B. and is connected to this by riser pipes. For steam generation in boiler B or water chamber D , the following thermal energy sources present on the railcar can be used: the exhaust heat of the exhaust gases from the internal combustion engine, which are largely utilized in exhaust collection chamber A or exhaust pipe R , as well as the mechanical power of internal combustion engines V. by converting it into electrical energy in the generator G via the heating resistors W _1, whereby if necessary the entire power of the internal combustion engine can be converted into electrical heating energy, and finally part of the heat content of the cooling water of the internal combustion engine V either, as shown, through mere heat dissipation in the preheater VW or by removing the steam boiler feed water from the cooling water circulation line of the internal combustion engine V, the first-mentioned utilization due to the avoidance of larger scale formation.

turgemäß vorzuziehen ist. Bei der tatsächlichen Ausführung der Heizdampferzeugungseinrichtung erweist es sich als besonders zweckmäßig, die Auspuffwärme, wie in der Zeichnung dargestellt, in zwei Stufen auszunützen, wobei die erste Stufe in einem Kessel D sich vollzieht, welcher durch die Ummantelung des an der Brennkraftmaschine angebauten Auspuffsammeirohres A gebildetis preferable according to the nature of the weather. In the actual design of the heating steam generating device, it proves to be particularly expedient to use the exhaust heat in two stages, as shown in the drawing, the first stage taking place in a boiler D , which is formed by the casing of the exhaust manifold A attached to the internal combustion engine

ίο wird, während die zweite Stufe durch einen Kessel5 gebildet wird, in dem sich der Dampf sammelt und die elektrischen Heizkörper sich befinden. Der zweite Kessel B befindet sich vorteilhaft in der Nähe des Führers und besitzt auch alle für den Betrieb und die Kontrolle nötigen Apparate, wie Sicherheitsventile, Wasserstandsanzeiger, Absperrventile usw.ίο is, while the second stage is formed by a boiler5, in which the steam is collected and the electric heating elements are located. The second boiler B is advantageously located near the driver and also has all the equipment required for operation and control, such as safety valves, water level indicators, shut-off valves, etc.

Im folgenden sei der Betriebsvorgang für die Zugheizung kurz beschrieben:The operating procedure for train heating is briefly described below:

Eine entsprechende Zeit vor der Abfahrt des Zuges wird die Brennkraftmaschine V angelassen und der Generator G auf alle Heizwiderstände W geschaltet. Ein früheres Anlassen ist bei Motorfahrzeugen schon aus dem Grunde notwendig, weil die Brennkraftmaschine vor Antritt der Fahrt auf Betriebswärme gebracht werden muß. Er wird dadurch belastet und gibt von der zugeführten, im Brennstoff enthaltenen Wärmemenge etwa 20⁰/o in Form von elektrischer Energie und etwa 3o⁰/₀ in Form von Auspuff- und Kühlwasserwärme an den Heizkessel ab. Unmittelbar vor der Abfahrt wird der Generator G von den Heizwiderständen entweder ganz oder teilweise getrennt und auf die Bahnmotoren geschaltet. Da die Brennkraftmaschine bei der Fahrt durch die Zugleistung genügend belastet ist,' genügt die im Auspuff vorhandene Abwärme, um die Dampfbildung aufrechtzuerhalten. In den Stationen kann jedesmal durch Einschalten der Heizwiderstände W der Kessel B nachgeheizt werden. Hat der Zug eine längere Gefällstrecke zu befahren, wo von der Brennkraftmaschine V keine Zugleistung verlangt wird, so kann die Heizung dadurch vollkommen aufrechterhalten werden, daß die Bahnmotoren abgeschaltet werden und der Generator G ausschließlich auf die Heizwiderstände W arbeitet. Ebenso kann auf Fahrten, wo die Brennkraftmaschine nicht voll belastet läuft, ständig ein Teil der Heizwiderstände W angeschaltet bleiben, um die Heizwirkung zu verstärken. Man ersieht, daß die Heizung bezüglich ihrer Stärke leicht den jeweiligen Bedürfnissen angepaßt werden kann.A corresponding time before the train departs, the internal combustion engine V is started and the generator G is switched to all heating resistors W. An earlier start is necessary in motor vehicles for the reason that the internal combustion engine must be brought to operating temperature before starting the journey. He is charged thereby and are about 20 ⁰ / o from in form of electrical energy and about 3o ^_0/0 in the form of exhaust and cooling water heat to the boiler from the supplied, contained in the fuel amount of heat. Immediately before departure, the generator G is either completely or partially separated from the heating resistors and switched to the rail motors. Since the internal combustion engine is sufficiently loaded by the pulling power while driving, the waste heat present in the exhaust is sufficient to maintain the formation of steam. In the stations, boiler B can be reheated each time by switching on the heating resistors W. If the train has to travel a longer downhill section where no tractive power is required from the internal combustion engine V , the heating can be completely maintained by switching off the rail motors and the generator G working exclusively on the heating resistors W. Likewise, on journeys where the internal combustion engine is not running at full load, some of the heating resistors W can remain switched on at all times in order to increase the heating effect. It can be seen that the strength of the heating can easily be adapted to the respective requirements.

Der Vorteil einer solchen Anordnung gegenüber den bekannten Heizsystemen besteht in der äußerst einfachen Bedienung und Regelbarkeit vom Führerstande aus, in der außerordentlichen Sauberkeit und in der guten Ausnützung der im Brennstoff enthaltenen Wärme. Dazu kommen noch betriebstechnische Vorteile, die sich daraus ergeben, daß die Heizdampferzeugungseinrichtung mit der Brennkraftmaschine zu einer technischen Einheit vereinigt ist und ein gleicher Brennstoff für Kraft- und Wärmeerzeugung Verwendung findet.The advantage of such an arrangement over the known heating systems consists in the extremely simple operation and controllability from the driver's cab, in the extraordinary Cleanliness and good use of the heat contained in the fuel. In addition, there are operational advantages that result from the fact that the heating steam generating device is combined with the internal combustion engine to form a technical unit and the same fuel for Power and heat generation is used.

Claims

Patent claims:

1. Process for generating heating steam on operated by internal combustion engines Locomotives or railcars with electrical power transmission, characterized in that the waste heat supply the internal combustion engine for generating heating steam, especially in times of low or intermittent draw resistance, is maintained by loading the generator.

2. The method according to claim 1, characterized in that the generator load Accumulated electrical energy as thermal energy from the waste heat from the internal combustion engine will be added.

3. Apparatus for performing the method according to claim 1 and 2 at a steam boiler system heated by the waste heat of the internal combustion engine, thereby characterized in that electrical heating elements are installed in the same, which if necessary, be connected to the voltage of the generator.

4. Device for performing the method according to claim 1 and 2, characterized characterized in that the heating system consists of two interconnected steam boilers, of which one is attached directly to the internal combustion engine and the exhaust manifold while the second boiler forms the electric radiators, the steam collection room and the fittings owns.

1 sheet of drawings