Сравнение газодизельного и газового режимов работы тепловозных дизелей

Сравнение газодизельного и газового режимов работы тепловозных дизелей

Д.Н. Григорович,

ведущий научный сотрудник ОАО «ВНИИЖТ», к.т.н., А.В.Заручейский,

зав. отделом ОАО «ВНИИЖТ», к.т.н.

В статье сравниваются газодизельный и газовый режимы работы тепловозных дизелей. Рассматриваются преимущества и недостатки каждого из режимов с учетом особенностей протекания рабочих процессов и условий эксплуатации. Показаны экономические и экологические преимущества циклов с применением газа по сравнению с дизельным циклом.

Ключевые слова: газодизельный цикл, газопоршневой двигатель, рабочий процесс, газовоздушная смесь.

Comparison of gas-diesel and gas modes of diesel engines

D.N. Grigorovich, A.V. Zarucheysky

The article compares gas-diesel and gas modes of locomotive engines. Advantages and disadvantages of each mode are reviewed taking into account the flow of work processes and operating conditions. Economic and environmental benefits of gas-diesel cycles compared to diesel analogs are also demonstrated in the article.

Keywords: gas and diesel cycle, gas-piston engine, work process, gas-air mixture.

Работы по созданию газотепловозов были начаты в нашей стране в середине 80-х гг. прошлого века. В 1984 г. был построен макетный образец маневрового газотепловоза на базе серийного локомотива ТЭМ2У для отработки основных технических решений. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три магистральных газотепловоза: два на базе тепловоза 2ТЭ10М и один на базе тепловоза 2ТЭ116 - соответственно 2ТЭ10Г и 2ТЭ116Г. Газотепловозы имели тендерные секции с двумя криогенными емкостями,

вмещающими 17 т сжиженного природного газа (СПГ). В 1991 г. были проведены теплотехнические испытания газотепловоза 2ТЭ10Г, которые выявили ряд недостатков газодизеля 10ГД100Б и регазифика-тора.

В 1997-1998 гг. на Брянском машиностроительном заводе были построены два опытных газотепловоза ТЭМ18Г с газодизель-генератором ГДГ50 Пензенского дизельного завода. С конца 2000-го г. тепловоз ТЭМ18Г-001 был введен в эксплуатацию с механической системой газоподачи.

Созданный в 2010 г. газотепловоз ЧМЭ3-1994 с электронной системой управления газоподачей был испытан на экспериментальном кольце ОАО «ВНИИЖТ» и в 2011 г. передан в опытную эксплуатацию на Московскую железную дорогу. Эксплуатация показала надежную работу газового оборудования, однако по причине отсутствия газозаправочной инфраструктуры в Московском регионе эксплуатация тепловоза на газе продлилась только 6 мес. В 2012 г. было принято решение передать тепловоз в регион с наличием газовой инфраструктуры, где можно от его эксплуатации получить экономический эффект.

Эксплуатационные испытания газотепловозов показали, что суммарное замещение дизельного топлива газом при работе тепловоза по газодизельному циклу составляет около 60 %. Это позволяет получить экономический эффект, определяемый разностью цен на дизельное топливо и газ. После создания заправочной газовой инфраструктуры экономия средств на моторное топливо для тепловозов должна составить около 30 %.

Проблема снижения выбросов вредных веществ в атмосферу является актуальной задачей для железнодорожного транспорта РФ. Несмотря на то, что число тепловозов и путевых машин в сотни раз меньше чем автомобилей, суммарные выбросы дизелей тягового подвижного состава составляют: СО - 2,3 %, СН - 4,8 %, N0 - 38 %,

II I I х I

Б02 - 11 %, сажи - 11 % общих выбросов автомобильного транспорта. Как показали реостатные испытания, при работе тепловоза по газодизельному циклу значительно снижается образование вредных веществ в процессе горения топлива: оксида углерода в 2,5 раза, сажи

Таблица 1

Характеристики основных видов топлива ДВС

Температура Число Теплотворная Удельная масса

Топливо самовоспламенения, °С способность

р = 0,1 МПа р = 3 МПа октановое цетановое кДж/кг кДж/м3 кг/л кг/м3

Дизельное топливо 340-355 205 15 50 42700 - 0,87 -

Бензин 470-530 275 90 26 44000 - 0,72 -

Метан 650-750 470 110-120 2 49900 35780 - 0,717

в 2-4 раза, серных соединений в 5 раз, оксидов азота - на 20 %.

В зависимости от состава топлива и способа его воспламенения тепловозный дизель может работать по дизельному, газовому или газодизельному циклам. В дизельном цикле газ отсутствует, а дизельное топливо воспламеняется при его сжатии в цилиндре. Газовый режим предполагает работу дизеля на природном газе без добавки дизельного топлива с искровым зажиганием газовоздушной смеси в цилиндре, при газодизельном режиме зажигание газовоздушной смеси осуществляется с помощью запальной порции дизельного топлива. При газодизельном и дизельном режимах зажигание происходит за счет повышения температуры в результате сжатия топливовоздушной смеси. Когда температура недостаточна для воспламенения газа, добавляется запальная порция дизельного топлива (табл. 1).

Температура самовоспламенения природного газа и цетановое число резко отличаются от аналогичных параметров дизельного топлива. Поэтому при использовании газообразных топлив с малой по сравнению с дизельным топливом молекулярной массой добиться самовоспламенения и сгорания так же, как и при работе на тяжелом жидком топливе, затруднительно. Даже при высоких степенях

сжатия в дизелях невозможно достичь надежного самовоспламенения, так как период запаздывания воспламенения значительно возрастает. Увеличение степени сжатия для создания требуемых условий самовоспламенения природного газа связано с серьезными конструктивными доработками двигателя и сопряжено с повышением механической и термической нагрузки.

Для перевода дизеля на газодизельный режим необходимы минимальные конструкторские изменения, так как степень сжатия двигателя (геометрические размеры цилиндро-поршневой группы) не изменяется. В конструкцию двигателя добавляются газовый смеситель, механизм ограничения подачи дизельного топлива, система регулирования подачи газа, устройство для взаимосвязанного управления топливным насосом высокого давления и подачей газа, а также электрооборудование, которое обеспечивает необходимую информативность и защиту дизеля от нештатных режимов работы.

Газодизельный режим обеспечивает конвертируемость двигателя, то есть возможность работать на газовом и дизельном топливах, что обусловливает повышение надежности перевозок как маневровыми, так и магистральными тепловозами. В соответствии с этим в конструкции газотепловоза должны

быть предусмотрены емкости для газа и дизельного топлива, а также возможность выбора режима работы дизеля простым переключением, без каких-либо добавочных работ.

Работы по газовому режиму требуют уменьшения степени сжатия двигателя, изменения камеры сгорания, создания системы электрического зажигания, что связано с большими затратами, соизмеримыми с созданием нового двигателя. Перевод дизельного двигателя на газовый режим ведет к уменьшению мощности и ухудшению топливной экономичности двигателя. Например, двигатели 6ЧН22/28 нижегородского ОАО «Румо» в дизельном и газодизельном вариантах имеют мощность 750 кВт, а при газовом режиме мощность снижается до 560 кВт (на 26 %), и увеличивается удельный расход топлива на 12 %. Дизели типа 10Д100 имеют мощность 2050 кВт, а их газовые модификации 11ГД100 - 1500 кВт (на 26 % меньше).

Опыт перевода на газовое топливо двигателей КАМАЗ 740.13-260 также показал, что газодизельный процесс обеспечивает получение той же мощности, что и у дизеля-прототипа («Транспорт на альтернативном топливе», 2009 г., № 2, с. 47-50). Двигатель этой серии с искровым зажиганием имеет максимальную мощность, примерно на 11...15 % меньшую из-за

ограничений по тепловой напряженности деталей. Относительно высокую степень сжатия на газопоршневых дизелях удается получить только на двигателях малой мощности, в несколько раз меньшей, чем у тепловозных дизелей.

При работе двигателя в газовом режиме необходимо обеспечить искровое зажигание. В цилиндрах больших диаметров, характерных для тепловозных двигателей, не достигнута надежная продолжительная работа систем искрового зажигания. Требования к свечам зажигания газовой смеси с воздухом более высокие, чем в бензиновых двигателях. Исследования по переводу дизелей на газовый цикл с искровым воспламенением выявили, что газовоздушная смесь имеет худшую воспламеняемость по сравнению с бензовоздушной смесью. Поэтому для компенсации более низкой воспламеняемости газовоздушной смеси нужно применять системы зажигания высокой энергии и более совершенные свечи зажигания.

Организовать работу тепловозного дизеля по газовому циклу с воспламенением от искры достаточно сложно и на аппаратном уровне. При дуговом разряде продолжительностью t=1 мс между электродами свечей современных конструкций достигается напряжение и=3000 В при токе /=100 мА. Энергия разряда такой свечи составит

Е = ип = 3000  ОД • 10~3 = 0,3 Дж.

Цикловая подача запальной порции дизельного топлива при работе маневрового тепловоза по газодизельному циклу составляет 100.300 мг. При теплоте сгорания дизельного топлива 42700 кДж/кг энергия, вносимая 100 мг дизельного топлива, составит 4270 Дж,

что на несколько порядков больше, чем энергия свечи. С учетом того, что качество воспламенения заряда пропорционально вносимой энергии, можно сделать вывод, что даже самые современные свечи не могут обеспечить качественное воспламенение газовоздушной смеси в цилиндре тепловозного дизеля.

Немалое значение имеют относительно большие объемы цилиндров тепловозных дизелей. В небольших цилиндрах автомобильных и тракторных дизелей протекание процессов имеет принципиальные отличия. Особенно это относится к процессу самовоспламенения топлива, которое происходит при прогрессивном повышении температуры рабочего тела. Произойти самовоспламенение может при условии, если тепловыделение больше теплоотвода. Так как выделяемая в ходе реакции теплота частично рассеивается в окружающую среду путем теплоотвода, то геометрические размеры рабочего объема цилиндра и условия теплоотвода имеют большое значение. В центральной зоне факела преобладает конвективный теплообмен со стенками камеры сгорания. Теплообмен стенок камеры сгорания с окружающей средой происходит главным образом посредством теплопроводности. Условия протекания такого процесса определяются критерием Франк-Каменецкого:

_йк0ЕУ к~ ЫТ2 ' где О - тепловой эффект реакции, Дж/кг; к0 - предэкспоненциальный множитель уравнения Аррениу-са, (мЖ)/кг; Еа - энергия активации топлива, Дж/моль; г - характерный размер камеры сгорания (радиус для цилиндрических и сферических камер сгорания), м;

X - коэффициент теплопроводности; й - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль-К); Т - температура окружающей среды, К.

Самовоспламенение может произойти при ГК> ГК кр . Критическое значение зависит от гео-

К кр

метрической формы реакционного сосуда и кинетических особенностей реакции. Для цилиндра ГК кр = 2, для сферы ГК кр = 3,32. Зависимость ГК от квадрата радиуса цилиндра определяет различные условия самовоспламенения в тепловозных дизелях с диаметрами цилиндров около 300 мм по сравнению с небольшими автомобильными с диаметрами цилиндров 70.100 мм.

Для зажигания газовоздушной смеси в газовых двигателях с большим объемом цилиндров иногда применяют предкамеры или вихревые камеры, размещаемые в крышках цилиндров в дополнение к впускным и выпускным клапанам. Предкамеры снижают надежность крышек цилиндров и уменьшают КПД двигателя из-за возрастающих тепловых потерь. Кроме того, такое решение приводит к значительной разунификации дизельных и газовых двигателей одного типа.

Экономичность газодизельного цикла с воспламенением от сжатия в среднем на 20 % превосходит экономичность цикла, при котором рабочая смесь воспламеняется от искрового разряда. Различия этих двух циклов определяются характером кинетики химических реакций. Если смесь дизельного топлива, воздуха и газа в цилиндре дизеля к моменту достижения температуры самовоспламенения достаточно однородна, то ее воспламенение будет объемным, сопровождающимся одновременным возбуждением экзотермических реакций во всем объеме цилиндра.

Такое горение заканчивается раньше, чем горение с переносом фронта пламени от очага воспламенения, что повышает экономичность цикла за счет более эффективного использования работы расширения газов вблизи ВМТ. Мощность дизеля при такой организации рабочего процесса можно повышать путем подачи части топлива после момента самовоспламенения, а также изменением угла опережения подачи топлива. Процесс сгорания топлива при этом остается управляемым.

Для воспламенения топливной смеси от искрового разряда его энергия должна быть достаточно большой, чтобы поддержать распространение пламени по всему объему цилиндра тепловозного дизеля. В случае применения свечи зажигания в цилиндре диаметром около 300 мм и со степенью сжатия 12...13 температура искрового промежутка должна быть свыше 104 К. При такой температуре топливная смесь в зоне искрового промежутка реагирует без задержки воспламенения с образованием достаточно большой доли углеводородов, меняющих свой молекулярный состав вследствие термической диссоциации и ионизации без сгорания. Дальнейшее распространение пламени происходит в виде волны от очага воспламенения по всему объему цилиндра.

В каждый момент такого процесса имеются зона со свежей смесью и зона с продуктами сгорания, которые разделены фронтом пламени, где происходит реакция. Волна давления большой энергии, исходящая от очага воспламенения, достигнув поршня, создает ударную нагрузку на относительно небольшую часть его поверхности. Эффективность воздействия

давления на поршень при таком процессе обратно пропорциональна диаметру поршня и намного ниже, чем в газодизельном цикле, при котором нельзя выделить аналогичные зоны, а энергия газов создает равномерное давление на всю поверхность днища поршня.

Еще одной причиной снижения экономичности цикла при зажигании от искрового разряда наряду с менее благоприятными условиями сгорания топлива являются увеличенная продолжительность сгорания и, как следствие, перенос большей части работы расширения газов дальше от ВМТ, где эффективное давление снижается из-за увеличения объема цилиндра.

Более раннее воспламенение смеси для сокращения потерь на стадии расширения может привести к диффузионному горению, которое характеризуется турбулентной скоростью распространения пламени. Нормальная скорость распространения пламени ин определяется молекулярным переносом теплоты и зависит от температуропроводности а рабочей среды и скорости химических реакций ш

ин = ку/ам>, где к - коэффициент, зависящий от состава топлива.

Если за счет увеличения температур зоны искрового разряда и распространяемого от него фронта пламени ш>ин , то скорость распространения пламени резко увеличится и станет турбулизированной. При этом фронт турбулентного пламени искривляется и дробится на большое число очагов, а горение становится неуправляемым.

Эффективность газодизельного и газового циклов с приблизительно одинаковой цикловой работой газов определяется площадью индикаторной диаграммы (рисунок). Угол начала впрыска дизельного топлива 9н вп в газодизельном цикле равен углу опережения зажигания 9оз газового цикла. При этом угол задержки начала видимого горения 0| газодизельного цикла значительно больше, чем газового. Причина этого, как показано выше, заключается в характере развития горения в относительно большом цилиндре дизеля. Давление в газовом цикле на стадии сжатия до угла, соответствующего 0| газодизельного цикла, поднято за счет сжигания топлива, в то время как у газодизельного цикла это давление достигается за счет сжатия. Дополнительное сжигание топлива снижает экономичность газового

цикла. Повысить давление сжатия за счет увеличения степени сжатия е в газовом цикле до уровня газодизельного и сдвинуть влево угол 8оз нельзя, так как это приведет к недопустимо большому максимальному давлению сгорания и жесткости процесса, а существующий угол 9оз при повышении е значительно увеличит отрицательную работу газов на стадии сжатия.

Преимуществом работы двигателя по газовому циклу является полное замещение дизельного топлива газом. Однако экономия от замещения дизельного топлива газом нивелируется затратами на дополнительный расход газа вследствие менее экономичного рабочего процесса.

Еще одним недостатком газовых двигателей является то, что их приемистость в связи с инерционностью газовой аппаратуры не удовлетворяеттребованиям, предъявляемым к двигателям тепловозов в отношении скорости набора нагрузки (не менее 100.120 кВт/с). На газодизельных двигателях она достигается на переходных процессах увеличением подачи жидкого топлива, что не может быть сделано в газовом двигателе.

Перечисленные особенности газопоршневых двигателей объясняют отсутствие (за исключением опытных образцов) практики их применения на тепловозах. Двухтопливные газодизельные двигатели, работающие с использованием природного газа (до 80.85 % общего расхода топлива) и допускающие мгновенный переход на дизельное топливо и обратно, являются в настоящее время наиболее выгодным видом энергоустановок для дизельных тепловозов, использующих природный газ. Простота и относительно малая стоимость

Таблица 2

Сравнение газовых и газодизельных двигателей

Газовые двигатели Газодизельные двигатели

Преимущества

• Полное замещение дизельного топлива газом • Хранение на борту одного вида топлива • Снижение затрат на обслуживание топливной аппаратуры • Минимальные конструкторские изменения и капитальные вложения при конвертировании дизеля • Возможность работать на двух видах топлива • Быстрый набор мощности на переходных процессах за счет добавки дизельного топлива • Приемистость не ниже дизельного цикла • Облегченный запуск на дизельном топливе

Недостатки

• Снижение мощности в среднем на 25% • Ненадежная работа искрового зажигания • Ограничения использования вследствие более низкой приемистости • Меньший запас топлива на борту тепловоза • Увеличенный удельный расход газа в среднем на 12 % • Более узкий диапазон возможных а* • Заправка и хранение двух видов топлива • Частичное замещение дизельного топлива газом

Выводы

Экономически оправданы при наличии заправочной газовой инфраструктуры Экономически оправданы в существующих условиях эксплуатации тепловозов

* а - коэффициент избытка наддувочного

переоборудования тепловозного дизеля для работы на природном газе, сохранение мощности и топливной экономичности, обеспечение надежности и удобства эксплуатации позволяют сделать вывод о целесообразности организации на тепловозных двигателях газодизельного цикла.

Газодизельный цикл позволяет запускать дизель на дизельном топливе, что немаловажно, так как сложно обеспечить воспламенение газа в непрогретых цилиндрах при малой скорости нарастания частоты вращения коленчатого вала. При недостаточном или избыточном количестве газа возникает неустойчивое горение газовоздушной смеси и пропуски воспламенения (табл. 2).

Таким образом, преимущества газодизельного режима работы тепловозного дизеля перед газо-

воздуха.

вым определяются особенностями протекания рабочих процессов и условиями эксплуатации. Условия протекания рабочих процессов зависят от геометрических размеров цилиндров дизеля, степени сжатия, частоты вращения коленчатого вала. Это определяет существенные различия эффективности газового цикла для тепловозных и автомобильных дизелей. Эффективность газодизельного цикла тепловозного дизеля не уступает дизельному, но значительно ниже газового. У автомобильных и тракторных дизелей эти различия небольшие, особенно с учетом возможности повышения степени форсирования двигателя. Практически все тепловозные дизели имеют высокую степень форсирования по наддуву, что не оставляет резерва для компенсации недостатков газового цикла.