Проблемы повышения топливной экономичности и экологической безопасности тепловозных дизелей в пусковом режиме

УДК 621.436

ПРОБЛЕМЫ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ В

ПУСКОВОМ РЕЖИМЕ

Ю.Я. ПЕТРУШЕНКО, Г.Н. МАРЧЕНКО, А.И. ВАЛЕЕВ Казанский государственный энергетический университет

Выполнен анализ методов оценки и путей повышения топливной экономичности тепловозов и снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду. Показано, что в настоящее время основными направлениями решения проблемы являются совершенствование конструкций отдельных узлов дизеля, методов обработки дизельного топлива, применение нейтрализаторов и катализаторов, электрофизических методов очистки выхлопных газов, а также применение высокоэффективных и экономичных технологий.

Ключевые слова: гарантированный пуск дизельных двигателей. Экономия топлива и уменьшение выбросов отработавших газов.

Проблема уменьшения потребления дизельного топлива дизелей магистральных и маневровых тепловозов, с улучшением их экологических показателей, в соответствии с требованиями международных норм и стандартов остается актуальной задачей.

Эксплуатационные показатели многих транспортных средств в полном жизненном цикле в значительной степени зависят от пусковых характеристик их двигателей. Как показывают многочисленные исследования [1-3], доводка рабочих процессов в двигателях внутреннего сгорания (ДВС) за счет выбора конструктивных и регулировочных параметров и топливной аппаратуры не позволяет решить задачу повышения топливной экономичности и экологической безопасности дизелей. Поэтому интерес к разработке методов и средств повышения топливной экономичности и экологической безопасности ДВС, а именно в пусковых режимах, значительно возрос.

Особенно важно, что при пусковых режимах чрезмерное увеличение периода задержки самовоспламенения, так же как и его чрезмерное уменьшение, затрудняет условия пуска. Период задержки самовоспламенения топлива определяется экспериментально в процессе испытания двигателя. Однако пуск непрогретого дизеля сопровождается увеличением периода задержки самовоспламенения топлива, а повышение температуры сжатого воздуха в цилиндре приводит к его уменьшению. В этой связи необходимо учитывать чрезмерное увеличение впрыскиваемого в цилиндр топлива, продолжительность вращения коленчатого вала, характер топливоподачи, качества распыления топлива и скорости его движения в камере сгорания.

На предприятии ОАО «Казанское межотраслевое предприятие «Промжелдортранс» была проведена работа по совершенствованию системы зажигания дизелей маневровых тепловозов в момент запуска с целью улучшения их технико-экономических характеристик и экономии энергетических ресурсов.

В связи с этим проводились исследования пусковых режимов дизелей тепловозов ЧМЭ-3 и ТЭМ-2 по определению расхода топлива, в условиях гарантированного «пуска» при низких температурах (-10°С^30°С), с

© Ю.Я. Петрушенко, Г.Н. Марченко, А.И. Валеев Проблемы энергетики, 2010, № 3-4

использованием электрохимических накопителей электрической энергии (НЭЭ) (суперконденсаторов - ионисторов) [4].

В постановку задач исследований входило:

- определение расхода топлива дизельных двигателей внутреннего сгорания (ДВС) тепловозов при низких температурах;

- влияние пусковых режимов дизеля на характеристики бортовых аккумуляторных батарей (Акб) при моделировании системы зажигания с различными нагрузочными токами;

- определение частоты вращения электростартера запуска при посадках напряжения и частотах от стационарной аккумуляторной батареи и параллельно подключаемого суперконденсатора;

- оценка топливной экономичности дизеля тепловоза при использовании накопителя электрической энергии в пусковом режиме.

Основным критерием для пускового режима ДВС был выбран режим обеспечения надежного и быстрого запуска при температуре окружающей среды до -10°С^30°С, при соблюдении пусковых характеристик электростартера и аккумуляторной батареи. Причем Акб должна производить оптимальное число повторных пусков и быстро восстанавливаться при работе двигателя от генератора постоянного тока тепловоза КГ-12,5К.

В ходе практической эксплуатации тепловозов при минусовой температуре бортовые аккумуляторные (32ТН-450, 6СТЭН-252А-4, 48ТН-450) батареи работают при уровне заряженности 50-70% от номинального (нередки случаи снижения ёмкости батареи до 30%). Известно, что при этом увеличивается внутреннее сопротивление бортовой батареи, как показывают результаты по обслуживанию, часто происходит снижение напряжения до 45-65% ^„ом, снижается пусковой ток, нарушаются требования ко времени прокрутки вала дизеля до момента надежного пуска. Всё это, наряду со старением аккумуляторных батарей, снижает вероятность своевременного запуска дизелей тепловозов. Не имея устройств гарантированного пуска, машинисты вынуждены оставлять двигатель работающим на холостом ходу, расходуя горючее и моторесурс, загрязняя, тем самым, окружающую среду.

В табл.1 приведены результаты измерений, иллюстрирующие посадки напряжения на электростартере при пуске от бортовой Акб (ином = 64 В) и с накопителем электроэнергии (НЭЭ), при изменениях нагрузки и частоты включения.

Таблица 1

Сравнительные показания посадок напряжения на клеммах аккумуляторной батареи

№ п/п /, Гц ^ном * 10, А 1ном • 5, А 10, А /ном • 2.5, А 10, А /ном *1,25, А 10, А

ДиАкб>% Д^Акб + нээ, % ДиАкб,% Д^Акб + нээ, % ДUАкб, % ДЦдкб + нээ, % ДЦлкб, % Д^Акб + нээ, %

1 10 63,05 15,6 78,3 13,2 39,6 8,5 13,6 3,2

2 20 63,01 14,8 76,2 13,0 39,2 8,5 13,6 2,8

3 50 59,63 14,8 75,0 12,8 36,8 8,3 13,7 3,0

4 100 56,4 14,7 68,48 13,2 34,2 8,4 12,3 2,6

5 200 49,65 13,9 59,4 13,2 33,0 8,3 11,4 2.4

6 500 42,7 13,5 56,8 12,4 33,6 8,3 19,8 2,2

Анализ полученных данных свидетельствует о существенном различии падений напряжений питания при различных токах нагрузки, как без накопителя электроэнергии, так и с накопителем. Такое явление приводит к изменению

скоростных характеристик электростартера (табл. 2). Применение комбинированной системы с НЭЭ позволяет стабилизировать номинальные обороты электростартера и, соответственно, скоростные характеристики коленчатого вала дизеля в пусковом режиме.

Таблица 2

Сравнительные показатели частоты вращения электростартера ПС-У2

№ /, Гц 1ном • 10, А т ном 5, А Тном "2.5, А Тном • 1.25, А

Акб> об/мин ю НЭЭ, об/мин об/мин ю НЭЭ, об/мин юАкб Ь об/мин ю НЭЭ, об/мин юАкб 1 об/мин ю НЭЭ, об/мин

1 10 923,82 2109,37 539,06 2170,31 1503,16 2287,5 2159,76 2420,31

2 20 924,60 2130,07 594,92 2175 1519,92 2287,5 2159,76 2429,68

3 50 1008,98 2130,07 625 2179,68 1579,68 2292,18 2157,42 2425

4 100 1089,84 2132,42 787,89 2769,92 1644,14 2289,84 2192,18 2435,15

5 200 1258,59 2152,34 1014,84 2769,92 1675 2292,18 1980,46 2439,84

6 500 1432,42 2162,5 1079,68 2189,84 1659,76 2292,18 2004,68 2444,92

На рис. 1 приведены характерные осциллограммы режимов разряда и заряда суперконденсатора (С=5Ф) при параллельной работе со штатной аккумуляторной батареей, при одной частоте воздействия нагрузки 20 Гц.

О 2000 4000 6000 0000 10000 12000 14000 16000 18000 20000 22000 24000 26000 28000 30000 32000 34000 36000 30000 40000

Рис. 1. Осциллограмма режимов разряда - заряда ионистора (С=5Ф) и аккумуляторной батареи

при частоте воздействия нагрузки 20 Гц

Осциллограмма параллельной работы суперконденсатора с аккумуляторными батареями в пусковом режиме дизеля ЗА-6Д49 тепловоза ТЭМ2(2УМ) показана на рис. 2.

Dynamfc Data Туре 6,9-1 6,86,7-1

ы

6,56,4-1 6,3-j

бдН

í А

fs.í-<

5,7^ 5,65.5-M-l 5.35,25,15-!

PIDIO

РИГ 1

та sebo «¿o теш eobo «¿o шооо nooo íaxo 13000 пав isoco imoo itooo 1Ю00 19000 20000 2ióm 22000 23000 гта 25000 xóao

T

Рис. 2. Осциллограмма пускового режима дизеля 3А-6Д49 тепловоза ТЭМ2(2УМ) при параллельной работы ионистора с аккумуляторной батареей 32ТН-450

В табл. 3 приведен расход топлива дизельными двигателями тепловозов ОАО КМП «Промжелдортранс», измеренные универсальным ролико-лопастным расходомером ОР-40/СЭ [2].

Таблица 3

Расход топлива различных типов (ДВС) тепловозов с комбинированной системой запуска при низких температурах (-10°С 30°С).

Тепловоз Дизель Расход топлива за сутки, кг с Акб Расход топлива в рабочем режиме кг Расход топлива в режиме «простоя» кг Расход топлива за сутки+пус к. режим с НЭЭ, кг Время гарант. запуска от Акб+НЭЭ сек.

ТГМ-23 12ЧН 14/14 8736,42 2912 5824 3805 4

2ТЭ116 1А-5Д49 8684,28 2894 5780 3725 6,4

2ТЭ10М 10Д100 9073,86 3024 6048 3940 6

ЧМЭЗ K6S310DR 2121,12 707 1414 980 6,5

ТЭМ2(2УМ) ПД-1М 3729,82 1243 2486 1123 7

ТЭМ-2 ЗА-6Д49 3396,14 1132 2240 1090 5

ТГМ5 ЗА-6Д49 3659,58 1219 2439 1985 4,5

Как видно из табл.3, экономия топлива за сутки для различных типов (ДВС) тепловозов с комбинированной системой запуска в среднем составляет 37%, причем происходит гарантированный запуск за 4-7 секунд вместо 18-25.

Необходимо отметить, что использование суперконденсаторов имеет свои особенности ввиду большой их емкости. Непосредственное подключение к химическому источнику приводит к огромным пусковым токам, что равносильно короткому замыканию. Кроме того, использование конденсатора в системах совместно с аккумуляторами может привести к гигантским импульсным выбросам мощности при случайных коротких замыканиях. Как показало применение суперконденсаторов с различными способами соединений и техническими параметрами по выравниванию электрической нагрузки [5], они имеют некоторые отклонения по электрическим характеристикам, приводящие к снижению их надежности. Поэтому для надежной работы суперконденсаторов с

химическими источниками, в ответственных узлах транспортных средств, необходимо учитывать при разработке электронных устройств следующие аспекты:

1) номинальный режим заряда суперконденсатора;

2) ограничение разрядного тока;

3) устранение пускового заряда;

4) разделение цепей зарядных и разрядных токов;

5) предотвращение перезаряда суперконденсаторов;

6) независимый, автономный заряд;

7) интегрирование суперконденсаторов в химические источники тока;

8) соединения суперконденсаторов, имеющие отклонения по техническим характеристикам;

9) использование шунтирующих сопротивлений;

10) использование мощных стабилитронов;

11) использование независимого источника тока для заряда батареи суперконденсаторов.

Нижеприведенные электрические схемы подключения суперконденсаторов на параллельную работу с бортовыми химическими источниками приводят к номинальным режимам «заряда и разряда» суперконденсатора, тем самым повышают надежность системы зажигания тепловоза.

• Электрическая схема разделения зарядных и разрядных токов (рис. 3).

нээ

Рис. 3. Электрическая схема разделения зарядных и разрядных токов.

При такой схеме запуска стартер ПС-у2 подключается к заряженнной Акб и НЭЭ (суперконденсатору). Однако без обеспечения номинальных электрических параметров в режимах выдачи импульсной энергии и заряда Акб и НЭЭ надежность этих устройств будет снижена. Из рис. 3 видно, что величина разрядного тока суперконденсатора ничем не ограничена за счет использования полупроводникового диода Шоттки (до 10 кА). Параллельно соединенное сопротивление Лзар. к диоду VD позволяет проводить заряд суперконденсатора ограниченным по величине током от штатного генератора КГ-12,5К тепловоза.

• Электрическая схема с ограничивающим резистором (рис. 4). При использовании других типов вентильных диодов, с целью их предохранения, возникает необходимость последовательного включения токоограничивающего сопротивления Логр.

Рис. 4. Электрическая схема с ограничивающим резистором

Рис. 5. Способ ограничения по току системы цепи заряда НЭЭ

Параллельно включенный стабилитрон к НЭЭ предотвращает перезаряд суперконденсатора. Результаты испытаний комбинированной системы запуска показали, что при использовании больших значений емкости (более 5Ф) суперконденсатора возникает необходимость применения системы контроля напряжения заряда, так как перезаряд суперконденсаторов приводит к повышению температуры и выходу из строя.

• Схема стабилизации зарядного тока от независимого источника питания (рис. 6). В цепях с большими нагрузочными токами (замена типа электростартера) возможно применение независимых гальванически развязанных цепей зарядного тока, при постоянном его значении.

I

I

\0 н-

к

огр

Акб

Т 'I

и

зар

X

+ -А

Рис. 6. Схема стабилизации зарядного тока от независимого источника питания

Но поскольку суперконденсатор - электрохимический компонент, значение его эквивалентного последовательного сопротивления (Е8И) на постоянном токе велико. Производители зачастую приводят значение Е8И на частоте 1 кГц, на которой оно минимально. Но значение емкости на этой частоте, как правило, не имеет большого смысла для потребителя. В отличие от обычного конденсатора, в котором заряд переносится электронами, в электрохимическом суперконденсаторе в этом процессе наряду с электронами участвуют и ионы. © Проблемы энергетики, 2010, № 3-4

Значения емкости и Е8И суперконденсатора существенно влияют на характер временной зависимости напряжения. При низких значениях тока утечки рекомендуется использовать резисторы с сопротивлением 470 кОм-1,2 МОм. При активном симметрировании напряжение каждого отдельного конденсатора устанавливается в пределах требуемого значения с помощью полупроводникового ключа, подключенного к источнику опорного напряжения. При таком симметрировании напряжения матричного модуля любой конденсатор матрицы, напряжение которого превышает установленный уровень, разряжается.

• Схема реализации выравнивания напряжения суперконденсатора путем компенсации токов утечки (рис. 7).

Если по каким-либо причинам существует разброс величин емкостей последовательно включенных суперконденсаторов, то в процессе заряда ионистор с меньшей емкостью зарядится до большего напряжения и в итоге может превысить максимально допустимый предел, что неминуемо приведет к выходу из строя. Кроме того, суперконденсаторы с одинаковой емкостью могут иметь разные внутренние сопротивления, что также приведет к дисбалансу напряжений в процессе подзарядки. Поэтому в качестве выравнивающей системы в простейшем случае можно использовать резистивный делитель Я , Я7 для выравнивания токов утечки.

• Схема выравнивания напряжения суперконденсатора стабилитронами (рис. 8).

Рис. 7. Схема реализации выравнивания напряжения ионисторов путем компенсации токов утечки

&

Й-нсэ

\ТИ НЯТ1

А кб

НЭЭТГ А

й УОЗ

НЭЭ2

Рис. 8. Схема выравнивания напряжения ионисторов стабилитронами © Проблемы энергетики, 2010, № 3-4

• Выравнивание напряжения на суперконденсаторах следящей системой на основе полевых транзисторов (рис. 9).

Рис. 9. Выравнивание напряжения ионисторов высокоточными стабилитронами

Необходимо отметить, что возникают проблемы работы и повышения устойчивого, контролируемого режима в различных электрических цепях при последовательном соединении суперконденсаторов. При этом задача решается заменой стабилитронов следящей системой на основе полевых транзисторов, что обеспечит оптимальное время заряда и надежность суперконденсаторов.

• Выравнивание напряжения на суперконденсаторах при наличии автономных зарядных источников тока (рис. 10).

Рис. 10. Способ выравнивания напряжений НЭЭ высокоточными стабилитронами при наличии

автономных источников в зарядной цепи

Для различных электроустановок требуется обеспечение оптимальных режимов заряда и разряда суперконденсаторов. С целью повышения надежности и безопасности НЭЭ, работающих в импульсном режиме, необходимо использовать независимый режим заряда батареи суперконденсаторов.

• Добавленная система мониторинга (рис. 11) осуществляет текущий контроль напряжения бортовой сети (Акб, НЭЭ), осуществляет диагностику и статистику нештатных эксплуатационных режимов.

Рис. 11. Способ выравнивания напряжений НЭЭ высокоточными стабилитронами при наличии автономных источников в зарядной цепи, дополненный системой мониторинга

Выводы

1. Проведен анализ комбинированной системы запуска тепловозных дизелей импульсным накопителем электроэнергии, обеспечивающий повышение топливной экономичности и экологического воздействия тепловозных дизелей в режимах «пуска» и «холостого хода».

2. Экономия эксплуатационных расходов определяется от снижения расхода топлива и снижения объемов вредных выбросов в атмосферу.

3. Рассмотрены переходные процессы и достоверными исследованиями доказаны преимущества комбинированной системы зажигания с емкостно-аккумулирующиим энергоисточником, по сравнению с инерционными химическими источниками для запуска дизелей.

4. Разработаны и предложены рациональные электрические схемы управления режимами «заряда-разряда» суперконденсаторов с целью повышения надежности и технических характеристик бортовых химических источников тока.

5. Экономическая эффективность от использования данной системы складывается из:

- экономии топлива;

- увеличения срока службы батареи;

- моторесурса двигателя, экологических расходов;

- уверенного пуска дизельного двигателя вне депо.

Summary

The analysis of methods of an estimation and ways of increase of fuel profitability of diesel locomotives and decrease in negative ecological influence of diesel engines on environment is made. It is shown, that now the basic directions of the decision of a problem are perfection of designs of separate knots of a diesel engine, methods of processing of diesel fuel, application of neutralizers and catalysts, electrophysical methods of clearing of exhaust gases, and also application of highly effective and economic technologies.

Key words: the guaranteed start-up of diesel engines, economy of fuel and reduction of emissions of the fulfilled gases.

Литература

1. Экономика железнодорожного транспорта: Учебник для ВУЗов железнодорожного транспорта/ под ред. В.А. Дмитриева. М.: Транспорт, 1996.

2 Шелест П. А. Расчет периода задержки самовоспламенения топлива в дизелях // Известия вузов. Машиностроение, 1963. № 8. С. 197-204.

3. Николаенко А.В. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: Колос, 1984.

4. Астахов Ю.Н., Веников В;А., Иванов.А.М. и др. Функциональные возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах // Изв. РАН. Электричество. 1983. №4.

5. Константинов И.П., Валеев И.М. Оценка способов регулирования напряжения на выводах электроприемников // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. №3-4. С. 38-45.

6. Валеев И.М., Константинов И.П. Обеспечение системной надежности качества электроэнергии на предприятиях с непрерывными технологическими процессами. // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции, посвященной к 80-летию Ф.З. Тинчурина. «Энерго- и ресурсоэффективность в энергобезопасности России». Казань. 2006. 17с.

Поступила в редакцию 18 февраля 2009 г.

Петрушенко Юрий Яковлевич - д-р физ.-мат. наук, профессор, ректор Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-02. E-mail: kgeu@kgeu.ru.

Марченко Герман Николаевич - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Экономика и организация производства» (ЭОП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 554-53-74.

Валеев Альберт Ильгизович - директор ОАО КМП «Промжелдортранс», аспирант кафедры «Экономика и организация производства» (ЭОП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 264-58-90; 8-987-2903909.