Опыт применения электронных систем управления дизель-генераторами тепловозов

УДК 629.424.1

В. В. Фурман, Г. Г. Антюхин, Е. Е. Коссов

ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРАМИ ТЕПЛОВОЗОВ

Дата поступления: 14.01.2016 Решение о публикации: 18.01.2016

Цель: Составить обзор перспективных систем управления топливоподачей транспортных дизелей, выпускаемых производственно-промышленным предприятием ООО «ППП Ди-зельавтоматика» (г. Саратов). Методы: Использован сравнительный анализ, применен описательный метод исследования. Результаты: Выяснено, что применение электронных регуляторов ЭРЧМ30Т для управления серийной топливной аппаратурой тепловозного дизеля позволяет повысить его надежность и снизить расходы на техническое обслуживание. Применение систем электронного управления топливоподачей обеспечивает снижение расхода топлива на холостом ходу дизеля на 37 %, под нагрузкой - на 2-14 %, повышает надежность дизеля и уменьшает вредное воздействие на окружающую среду. Описаны основные принципы конструкции и результаты испытаний перспективных систем управления топливоподачей тепловозных дизелей. Практическая значимость: Благодаря применению электронных регуляторов ЭРЧМ30Т для управления серийной топливной аппаратурой тепловозного дизеля достигается экономия материальных, трудовых и временных ресурсов, сокращается вредное воздействие дизеля на окружающую среду.

Дизель, управление топливоподачей, электронный регулятор, электронное управление впрыском, расход топлива.

Viktor V. Furman, Cand. Sci. (Eng.), director general (PPP Dizelavtomatika LLC, Saratov); *Georgiy G. Antyukhin, Cand. Sci. (Eng.), laboratory head, vniizht.loc@mail.ru; Yevgeniy Ye. Kossov, D. Eng., professor, lead researcher (Railway Research Institute JSC [VNIIZhT], Moscow) EXPERIENCE OF APPLICATION OF ELECTRONIC CONTROL SYSTEMS OF DIESEL LOCOMOTIVES' DIESEL GENERATORS

Objective: To provide a review of advanced systems for fuel supply control of transport diesel engines produced by the production and manufacturing enterprise PPP Dizelavtomatika LLC in Saratov. Methods: Comparative analysis was applied, descriptive method of research was used. Results: It was established that application of ERChM30T electronic regulators for controlling mass-production fuel equipment of diesel engine allows to increase its reliability and to cut technical maintenance expenses. Application of electronic systems of fuel supply control ensures reduction of fuel consumption by 37 per cent when the diesel engine is idle and by between two and 14 per cent when loaded, increases diesel engine's reliability and reduces harmful environmental effects. Basic construction principles and test results of advanced systems for fuel supply control of transport diesel engines are described. Practical importance: Due to application of ERChM30T

75

electronic regulators for controlling mass-production fuel equipment of diesel engine, material, labour and time resources are saved, diesel engine's harmful environmental effects are reduced.

Diesel engine, fuel supply control, electronic regulator, injection electronic control, fuel consumption.

Тепловозная тяга с дизель-генераторными установками (ДГУ) в качестве источников энергии остается одной из основных схем создания автономных локомотивов на железнодорожном транспорте. Повышение эффективности работы таких установок является непременным условием их дальнейшего совершенствования. На современном этапе развития двигателестроения основными показателями, характеризующими эксплуатационную эффективность тепловозной тяги, являются показатели топливной экономичности и токсичности отработавших газов (ОГ), определяемые с учетом многорежимности тепловодных дизельных двигателей, особенно двигателей маневровых тепловозов. Из-за широкого диапазона изменения скоростных и нагрузочных режимов таких установок большое значение приобретает работа систем управления тепловозными дизель-генераторами. Статья посвящена принципам работы и конструктивным особенностям современных систем управления ДГУ, применяемых на отечественных тепловозах.

Постановка задачи

В настоящее время на системы управления транспортными ДГУ, в том числе тепловозов, возлагаются не только традиционная задача поддерживать требуемый скоростной режим работы двигателя, но и задачи оптимизировать параметры и режимы работы ДГУ, корректировать характеристики управления при изменении условий эксплуатации, диагностики двигателя в целом и его отдельных систем. С этой точки зрения наиболее эффективны и совершенны системы управления, построенные на современной микропроцессорной технике. При этом возможны два подхода к построению таких систем [4]. Первый предполагает использование электронных регуляторов с электро-или гидромеханическими исполнительными устройствами, воздействующими на органы управления серийных топливных насосов высокого давления (ТНВД). Второй заключается в изменении конструкции топливной аппаратуры, чтобы обеспечить возможность дозировать цикловую подачу топлива посредством быстродействующих электромагнитных клапанов, управляемых электрическими импульсами, формируемыми системой управления.

ООО «ППП „Дизельавтоматика“» (г. Саратов) на протяжении многих лет занимается разработкой, изготовлением, исследованием, доводкой и вне-

76

дрением различных систем автоматического регулирования (САР) и управления (САУ) транспортными силовыми установками.

В статье описаны некоторые разработки предприятия, получившие широкое применение в отечественном локомотивостроении.

Электронный регулятор частоты вращения и мощности тепловозного дизеля

Для регулирования частоты вращения дизелей и мощности тягового генератора тепловозов разработаны электронные системы ЭРЧМ30Т [2, 5]. На рис. 1 представлена структурная схема САР тепловоза с регулятором типа ЭРЧМ30Т.

В этой системе применяют исполнительные устройства, воздействующие на дозирующую рейку ТНВД. На рис. 2 представлена схема исполнительного устройства регулятора типа ЭРЧМ30Т.

Данные электронные системы вместе с исполнительными устройствами были переданы дизелестроительным заводам для проведения испытаний, в дальнейшем конструкция исполнительных устройств была реализована в системах электронного управления транспортных силовых установок и дизель-генераторов.

Рис. 1. Структурная схема системы управления тепловоза с регулятором ЭРЧМ30Т: БУ1 - блок управления ведущей секцией; БУ2 - блок управления ведомой секцией;

1 - ПГМ - программатор; 2 - ДЧД - датчик частоты вращения дизеля; 3 - ДЧТК -датчик частоты вращения турбокомпрессора; 4 - ДТ - датчик тока; 5 - ДН - датчик напряжения тягового генератора; 6 - ДДМ - датчик давления масла; 7 - ДУП - датчик угла поворота; 8 - ДП - датчик положения; 9 - ИУ - исполнительное устройство;

10 - БУВ - блок управления возбуждением; 11 - ДМ - датчик момента

77

Рис. 2. Схема электрогидравлического исполнительного устройства:

1 - электромагнит поворотный; 2 - рычаг электромагнита; 3 - рычаг обратной связи;

4 - золотник управления; 5 - рычаг обратной связи; 6 - вал силовой; 7 - рычаг сервомотора; 8 - аккумулятор давления масла; 9 - насос масляный; 10 - масляная ванна; 11 - сервомотор; а, b - плечи рычага обратной связи

Микропроцессорная система управления с электронным регулятором, управляющим серийным ТНВД, реализована в электронном регуляторе типа ЭРЧМ30Т, разработанном ООО «ППП „Дизельавтоматика“» первоначально для тепловоза типа ЧМЭ-3 по техническим требованиям Всероссийского научноисследовательского института железнодорожного транспорта в рамках программы замещения импортных изделий. На его базе созданы модификации электронных регуляторов типа ЭРЧМ30Т для установки на тепловозах 2ТЭ116, ТЭМ18, 2ТЭ10, на новых тепловозах 2ТЭ70, 2ТЭ25КМТЭ, 2ТЭ116У, П70БС и ТЭ-П70У, которые нашли широкое применение на железнодорожном транспорте.

Электронная система управления впрыском топлива

Дальнейшим развитием системы электронного управления дизель-генератором стало создание системы управления впрыском топлива, в которой испарительное устройство заменено клапаном управления подачей, установленным непосредственно на насосах высокого давления.

78

Для тепловозного дизеля Д50 (6 ЧН 31,8/33) производства ОАО «Пен-задизельмаш» разработана конструкция и изготовлен комплект электроуправляемых насосов 4ЭТН.03 с электрогидравлическими клапанами (рис. 3) [3]. Электрогидравлическими клапанами управляют с помощью сигналов от электронного блока. В состав системы электронного управления с импульсной топливоподачей входят также комплект датчиков и комплект монтажных изделий.

Система электронного управления ЭСУВТ.01 прошла испытания на дизель-генераторном стенде ОАО «Пензадизельмаш» с дизелем ПД1М. Получены следующие результаты, которые можно считать преимуществами по сравнению с серийной системой топливоподачи:

• снижение минимально устойчивой частоты вращения вала дизеля до n = 220 мин1 (в серийной системе она составляет 300 мин1) на нулевой позиции контроллера, что привело к снижению часового расхода топлива на холостом ходу дизеля на 37 % без ухудшения показателей токсичности ОГ;

Рис. 3. Общий вид электроуправляемого топливного насоса 4ЭТН.03 с электромагнитным клапаном управления подачей топлива:

1 - подвод топлива; 2 - отвод топлива; 3 - плунжер; 4 - пружина плунжера; 5 - линия низкого давления ТНВД; 6 - клапан; 7 - кромка клапана; 8 - штуцер ТНВД;

9 - возвратная пружина; 10 - якорь; 11 - электромагнит; 12 - надплунжерная полость

79

• установка оптимальных углов опережения впрыска топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля позволила снизить удельный расход топлива на 1,7-14,4 % на всех позициях контроллера (при частоте вращения коленчатого вала двигателя n = 300-330 мин-1 расход топлива снизился на 3,5-17 %, при n = 400-480 мин-1 - на 0,9 %);

• уровень воздушного шума, исходящего от двигателя, снижен на 1-11 дБ в зависимости от места нахождения измерительного прибора.

Дизель с электронной системой управления ЭСУВТ.01 удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 51249-99 по выбросам оксидов азота eNOx, монооксида углерода еСО и несгоревших углеводородов eCHx.

В настоящее время системой электронного управления впрыском оборудовано более 200 тепловозов ТЭМ2 и ТЭМ18Д. Вот как оценивает результаты эксплуатации этих тепловозов и. о. главного инженера Куйбышевской дирекции тяги В. Г. Филатов: «В результате за восемь месяцев 2015 г. благодаря использованию системы электронного управления подачей топлива было сэкономлено 209,5 т дизельного топлива на сумму 6,24 млн руб.» [1].

Руководство ОАО РЖД приняло решение оборудовать системами электронного впрыска топлива магистральные тепловозы 2ТЭ116.

Заключение

Разработка и внедрение отечественных систем электронного управления топливоподачей транспортных дизелей является важнейшим этапом в развитии отечественного дизелестроения. Использование таких систем на серийных тепловозных дизелях позволяет существенно улучшить их эксплуатационные характеристики, уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и повысить уровень конкурентноспособности на рынке транспортного машиностроения.

Применение электронных систем управления топливоподачей тепловозных дизелей является одним из основных резервов снижения расхода топлива на тягу поездов, благодаря чему их внедрение является одной из приоритетных задач локомотивного хозяйства ОАО РЖД.

Библиографический список

1. Игин В. Н. Эксплуатационные испытания тепловоза с электронной системой управления топливоподачей / В. Н. Игин, В. А. Марков, В. В. Фурман // Изв. вузов. Машиностроение. - 2014. - № 4. - С. 25-36.

2. Коссов Е. Е. Электронный регулятор тепловоза ЧМЭ3 / Е. Е. Коссов, В. А. Азаренко, И. П. Аникеев и др. // Локомотив. - 2009. - № 4. - С. 23-25.

80

3. Марков В. А. Система топливоподачи с электронным управлением тепловозного дизеля / В. А. Марков, В. В. Фурман, В. С. Акимов // Изв. вузов. Машиностроение. - 2013. -№ 7. - С. 60-65.

4. Фурман В. В. Системы электронного управления для дизельных двигателей / В. В. Фурман, В. А. Иванов, В. А. Марков // Инженерный журнал: наука и инновации. -2013. - Вып. 5. - URL : http://engjournal.ru/catalog/machin/criogen/723.html.

5. Фурман В. В. Электронный регулятор для дизель-генератора магистрального тепловоза / В. В. Фурман, И. П. Аникеев, Е. Е. Коссов и др. // Локомотив. - 2004. - № 6, 7.

References

1. Igin V. N., Markov V.A. & Furman V. V. Izvestiya vuzov. Mashinostroyeniye - Univ. proc. Machine engineering, 2014, no. 4, pp. 25-36.

2. Kossov Ye.Ye., Azarenko V. A., Anikeyev I. P., Kiryanov A. N., Lobanov S. V., Mazu-nin V. V. & Furman V. V. Lokomotiv - Locomotive, 2009, no. 4, pp. 23-25.

3. Markov V.A., Furman V. V. & Akimov V. S. Izvestiya vuzov. Mashinostroyeniye - Univ. proc. Machine engineering, 2013, no. 7, pp. 60-65.

4. Furman V. V., Ivanov V.A. & Markov V.A. Inzhenerny zhurnal: nauka i inno-vatsii - Eng. journ.: sci. and innovations, 2013, Is. 5, available at: http://engjournal.ru/cata-log/machin/criogen/723.html.

5. Furman V. V., Anikeyev I. P., Kossov Ye.Ye., Nestrakhov A. S., Bychkov D. A., Kiryanov A. N. & Lobanov S. V. Lokomotiv - Locomotive, 2004, no. 6, 7.

ФУРМАН Виктор Владимирович - канд. техн. наук, генеральный директор (ООО «НПП Дизельавтоматика», г. Саратов); *АНТЮХИН Георгий Георгиевич - канд. техн. наук, заведующий лабораторией, vniizht.loc@mail.ru; КОССОВ Евгений Евгеньевич - д-р. техн. наук, профессор, главный научный сотрудник (ОАО «ВНИИЖТ», г. Москва).

© Фурман В. В., Антюхин Г. Г., Коссов Е. Е., 2015

81