Особенности организации рабочего процесса двигателей газотепловозов на железнодорожном транспорте

Особенности организации рабочего процесса двигателей газотепловозов на железнодорожном транспорте

Д.Н. Григорович,

ведущий научный сотрудник ВНИИЖТ, к.т.н.

В статье отражены вопросы организации рабочего процесса тепловозного двигателя с использованием природного газа в качестве моторного топлива. Проанализированы схемы маневровых и магистральных газотепловозов для работы на природном газе. Сделаны выводы о целесообразности применения на тепловозных двигателях газодизельного цикла.

Работы по переводу тепловозов на

природный газ ведутся уже несколько десятилетий. Опробованы различные схемы маневровых и магистральных газотепловозов для использования как сжатого, так и сжиженного природного газа. В настоящее время на дорогах ОАО «РЖД» эксплуатируются несколько опытных газотепловозов. Широкое внедрение газотепловозов сдерживается, главным образом, из-за нерешенного вопроса устойчивого газоснабжения, что в свою очередь связано с необходимостью больших капиталовложений в инфраструктуру путевого хозяйства ОАО «РЖД».

При проведении НИОКР по переводу тепловозов на природный газ возникли также различные вопросы организации рабочего процесса газодизеля таким образом, чтобы не произошло заметного снижения мощности двигателя и были минимизированы конструктивные изменения.

Возможны два варианта организации рабочего процесса тепловозного двигателя с использованием природного газа в качестве моторного топлива. Один вариант - организация работы на природном газе без добавки дизельного топлива с искровым зажиганием

газовоздушной смеси в цилиндре (газовый режим); другой вариант - организация работы двигателя с зажиганием газовоздушной смеси с помощью запальной порции дизельного топлива (газодизельный режим). Во втором варианте зажигание газовоздушной смеси происходит от ее сжатия, вследствие чего повышается температура.

Температура самовоспламенения дизельного топлива составляет 250°С, а природного газа - 540°С. Температура, достигаемая в результате сжатия природного газа, недостаточна для его воспламенения, поэтому добавляется запальная порция дизельного топлива. Способ воспламенения газового топлива дозой жидкого дизельного топлива запатентовал Р.Дизель еще в 1898 г. Практическое применение этот способ получил только с 1938 г. - сначала для стационарных двигателей, потом для двигателей транспортных средств.

В отличие от внешнего способа смесеобразования в карбюраторных бензиновых двигателях и от внутреннего смесеобразования в дизелях, смесеобразование в газодизельном процессе смешанное: внутреннее для дизельного топлива и внешнее для природного газа. Дизельное топливо подается в цилиндр

через форсунку, а природный газ - через продувочный клапан вместе со свежим зарядом воздуха. При переоборудовании дизельных двигателей, имеющих высокую степень сжатия, для работы в газодизельном режиме большая часть газовоздушной смеси в общем цикловом заряде сгорает практически без детонации, при этом мощность двигателя остается на уровне базового двигателя.

Оба варианта организации работы тепловоза на природном газе имеют свои достоинства и недостатки. Работа тепловоза по газовому циклу снимает необходимость двойной заправки - топливом и газом. В этом случае также отпадает необходимость в топливной аппаратуре - форсунках и насосах высокого давления, которые требуют тщательной настройки и периодической проверки на стендах. Однако оба эти преимущества нивелируются присущими недостатками. Во-первых, эквивалентное по энергоемкости дизельному топливу количество природного газа занимает в несколько раз больший объем, что сокращает межзаправочный период. Во-вторых, для зажигания газовоздушной смеси в цилиндре необходимо устанавливать электронные свечи, которые не могут обеспечивать качественное воспламенение в большом объеме (по сравнению с автомобильным цилиндром) и работают в условиях повышенных давлений, что снижает их ресурс.

Перечисленные особенности двух способов организации работы тепловозных дизелей не дают преимущества ни одному из них, поэтому решающим фактором является ход протекания рабочего процесса, склоняющий чашу весов в сторону использования газодизельного процесса.

Полезную работу газов за цикл характеризует среднее индикаторное давление, численно равное разности работ газов на фазах расширения и сжатия:

где VI!- рабочий объем цилиндра; Vc- объем камеры сжатия; Va- объем цилиндра, соответствующий началу сжатия;

рр- давление газов на участке расширения;

рс- давление газов на участке сжатия.

Предельно допустимыми значениями среднего индикаторного давления для большинства эксплуатируемых тепловозных дизелей являются: р: = 1,6-2,0 МПа - для четырехтактных дизелей; р: = 1,2-1,4 МПа - для двухтактных дизелей.

На рис. 1 приведена индикаторная диаграмма четырехтактного тепловозного дизеля. На ее примере показана графическая интерпретация вычисления среднего индикаторного давления. Работа сил расширения равна площади графика под индикаторной диаграммой справа от верхней мертвой точки (ВМТ), а работа сил сжатия - слева. Индикаторная диаграмма показывает протекание рабочего процесса, а ее положение относительно ВМТ сильно влияет на работу цикла. Например, для дизелей 10Д100 смещение индикаторной диаграммы на 1° угла поворота коленчатого вала двигателя от ВМТ приводит к изменению расчетного значения среднего индикаторного давления на 8-10 %.

Ход протекания рабочего процесса двигателя, работающего по газодизельному циклу с поджиганием рабочей смеси от сжатия, значительно эффективнее по сравнению с газовым процессом с искровым зажиганием. На рис. 2 приведена индикаторная диаграмма двигателя, работающего по газодизельному циклу, а на рис. 3 - по газовому. Угол начала впрыскивания топлива 0

1 н.вп

для газодизельного цикла и угол 0оз опережения зажигания для газового цикла на представленных диаграммах примерно одинаковы, однако длитель-

Рис. 1

ности первой фазы горения 0, существенно отличаются.

Первая фаза горения при газодизельном процессе составляет период задержки воспламенения и определяется как интервал времени от начала впрыскивания топлива до того момента, когда давление в цилиндре становится выше давления сжатия. Этот период включает в себя время, необходимое для распада струи топлива на капли, продвижения капель по объему камеры сгорания, их прогрева, частичного испарения и смешения топливных паров с газовоздушной смесью.

Неоднородность смеси определяет достаточно большой период до начала ее воспламенения, что способствует более качественному смесеобразованию. Относительно большой период задержки воспламенения сдвигает вправо фазы быстрого горения, диффузионного горения и догорания, что в свою очередь повышает среднее индикаторное давление. Сдвинутая вправо последняя фаза горения - догорание - способствует более полному выгоранию сажи, образовавшейся в течение предыдущих фаз сгорания.

Первая фаза горения или фаза формирования фронта пламени при газовом процессе определяется как интервал времени от момента проскакивания электрической искры до того момента, когда давление в цилиндре становится выше давления сжатия. Длительность этой фазы намного короче, чем при газодизельном процессе. Она определяется характеристиками искрового разряда, составом смеси, степенью сжатия, частотой вращения коленчатого вала двигателя, величиной нагрузки. Развитие сгорания в течение этой фазы определяют закономерности мелкомасштабного турбулентного горения.

Более раннее чем при газодизельном цикле начало второй фазы горения повышает работу газов на стадии сжатия, что определяет снижение среднего индикаторного давления. Эта фаза слабо зависит от физико-химических свойств рабочей смеси. Уменьшению длительности второй фазы горения способствует расположение свечи зажигания ближе к центру камеры сгорания, а также усиление турбулизации заряда. Фаза догорания при газовом цикле двигателя, так же как и при газодизельном цикле, начинается в момент достижения максимального давления цикла.

Рис. 3

Однако к этому моменту значительная часть рабочей смеси уже сгорела, и правая ветвь индикаторной диаграммы проходит ниже, чем при газодизельном процессе. Заканчивается фаза догорания с концом тепловыделения.

Приведенное сравнение газового и газодизельного рабочих циклов двигателя показывает преимущество последнего. Кроме того, при газовом цикле выше вероятность появления детонационного сгорания. В большом рабочем объеме цилиндра тепловозного дизеля газовоздушная смесь воспламеняется порциями с задержкой по мере удаления от источника воспламенения (электрической искры). Почти весь процесс воспламенения происходит на стадии сжатия. Таким образом, отдаленные от центра воспламенения порции рабочей смеси нагреваются от сжатия и от повышения температуры вследствие сгорания первых порций смеси.

При слишком коротком времени самовоспламенения в последних порциях заряда могут возникнуть очаги воспламенения от сжатия, и процесс самовоспламенения приобретет взрывной характер. При этом возможно возникновение и распространение по заряду ударных волн, которые со своей стороны способствуют самовоспламенению остальной несгоревшей смеси.

Такой процесс сгорания называется детонационным. Скорость ударных волн во много раз больше скорости распространения фронта турбулентного пламени. Внешним проявлением детонации служит звонкий стук, вызванный отражением ударных волн от стенок цилиндра. Работа двигателя при детонации связана с большими тепловыми и механическими нагрузками на его детали, в результате чего могут обгореть кромки поршней, цилиндровые крышки и электроды свечей.

Для перевода дизеля в газодизельный режим необходимы минимальные конструкторские изменения, так как степень сжатия двигателя (геометрические размеры цилиндро-поршневой группы) не изменяются. В конструкцию тепловоза добавляются система регулирования подачи газа, механизм ограничения подачи дизельного топлива, а также электронное оборудование, которое обеспечивает необходимую информативность и защиту дизеля от нештатных режимов работы. Управление топливным насосом высокого давления производится от распределительного вала дизеля, а подача газа - через механические клапаны, приводимые в движение от этого же вала, или через электромагнитные клапаны, управляемые электронной системой.

Немаловажным обстоятельством является и то, что при применении газодизельного режима обеспечивается конвертируемость двигателя, то есть возможность его работы как на газовом, так и на дизельном топливе. В реальных условиях эксплуатации, с учетом большой протяженности железных дорог, это свойство имеет большое значение для обеспечения надежности перевозок как маневровыми, так и магистральными тепловозами. В соответствии с этим в конструкции газотепловозов должны быть предусмотрены емкости как для газа, так и для дизельного топлива, а также возможность конвертирования работы дизелей простым переключением, без каких-либо добавочных операций.

Организация работы дизеля по газовому режиму требует уменьшения степени сжатия двигателя, изменения камеры сгорания, создания системы электрического зажигания. Практически эти работы связаны с большими финансовыми затратами и соизмеримы с

созданием нового двигателя. Перевод дизельного двигателя на работу по газовому режиму ведет к уменьшению мощности и ухудшению топливной экономичности двигателя. Например, нижегородское ОАО «Румо» предлагает: двигатели 6ЧН22/28 в дизельном варианте мощностью 750 кВт, в газодизельном варианте с теми же показателями, а в газовом варианте с мощностью, сниженной до 560 кВт (на 26%), и увеличенным удельным расходом топлива на 12%; дизели типа 10Д100 имеют мощность 2050 кВт, в то время как их газовые модификации 11ГД100 - 1500 кВт.

Для получения эффективного рабочего процесса в цилиндрах двигателя необходимо обеспечивать равномерное зажигание газовоздушной смеси по всему объему цилиндра. В дизельных и газодизельных режимах это достигается за счет воспламенения от сжатия, а при работе двигателя в газовом режиме необходимо обеспечить искровое зажигание.

В больших диаметрах цилиндров, характерных для тепловозных двигателей, пока еще не достигнута надежная продолжительная работа систем искрового зажигания. Поэтому для зажигания газовоздушной смеси на таких газовых двигателях обычно применяются предкамеры или вихревые камеры, размещаемые в крышках цилиндров в дополнение к впускным и выпускным клапанам. Предкамеры требуют внесения серьезных конструктивных изменений, снижают надежность крышек цилиндров и уменьшают КПД двигателя из-за возрастающих насосных потерь. Такое решение приводит также к значительной разунифи-кации дизельных и газовых двигателей одного типа.

Преимуществом организации работы двигателя по газовому режиму является полное замещение дизельного топлива природным газом. Однако расчеты показывают, что при этом экономия от увеличения замещения дизельного топлива газом сводится на нет затратами на дополнительный расход газа, вызванный его увеличенным удельным расходом. Относительно высокую степень сжатия у газопоршневого (газового) двигателя удается получить только на двигателях малой мощности, в несколько раз меньшей, чем у тепловозных дизелей.

Перечисленные специфические особенности газопоршневых двигателей объясняют отсутствие практики их применения на тепловозах во всем мире.

Проведенный анализ позволяет сделать следующие выводы:

1. В случае применения газовой (газопоршневой) модификации двигателя на тепловозе будет иметь место снижение мощности двигателя и увеличение удельного расхода топлива.

2. Приемистость газовых двигателей не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к двигателям тепловозов в отношении скорости приема нагрузки - не менее 100-120 кВт-с. На газодизельных двигателях нужная скорость приема нагрузки достигается при повышении мощности увеличением подачи жидкого топлива, что не может быть сделано на газовом двигателе.

3. На газопоршневых двигателях с открытыми камерами сгорания и большими диаметрами цилиндров (в том числе на зарубежных двигателях) не достигнута надежная продолжительная работа систем зажигания газовоздушной смеси.

4. Применяемый в газодизельных двигателях способ воспламенения газовоздушной смеси в цилиндрах впрыском запальной дозы жидкого дизельного топлива является наиболее надежным и экономичным.

5. Двухтопливные газодизельные двигатели, работающие с использованием природного газа в количестве до 80-85% от общего расхода топлива и допускающие мгновенный переход на дизельное топливо и обратно, являются в настоящее время наиболее выгодным видом энергоустановок для тепловозов, использующих природный газ.

Простота и относительно малая стоимость переоборудования тепловозного дизеля для работы на природном газе, сохранение мощности и топливной экономичности, обеспечение надежности и удобства эксплуатации позволяют сделать вывод о целесообразности применения на тепловозных двигателях газодизельного цикла. Конвертируемость двигателя позволяет избежать сбоев в движении поездов на железнодорожном транспорте при неисправности в газовой системе двигателя или локомотива, а также в случае перебоя в газоснабжении газотепловозов.