Повышение эффективности работы энергетических установок тепловозов

Современные технологии - транспорту В. В. Кручек

1 8 3

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК ТЕПЛОВОЗОВ

Рассмотрены пути повышения эффективности работы транспортных энергетических установок путем совершенствования систем наддува. Приведены способы повышения эффективности воздухоснабжения энергетической установки. Данные способы имеют место при эксплуатации как дизельных, так и бензиновых двигателей.

дизель, двигатель, турбокомпрессор, система наддува, коллектор, ротор турбокомпрессора, турбокомпаунд, коленчатый вал.

Введение

Технический уровень дизеля определяется совокупностью базовых показателей, в которую входят экономические показатели. Необходимость оценки технического уровня, как важнейшего показателя качества, возникает на стадиях разработки, производства и эксплуатации дизелей. Надежность дизеля обусловливается безотказностью,

ремонтопригодностью, сохраняемостью, а также назначенным ресурсом до переработки и до капитального ремонта [1].

Совершенствованием дизелей с целью улучшения их техникоэкономических показателей занимаются различные организации, результаты их исследований отражены в многочисленных публикациях. Предлагаются различные принципы и направления, конструктивные и технологические решения. Вместе с тем наличие большого числа различных путей совершенствования дизелей в настоящее время затрудняет выбор рациональных решений, приемлемых для широкого внедрения на дизелестроительных заводах. Следует отметить, что большую часть выполненных работ составляют исследования и доводка отдельных узлов и элементов для вновь проектируемых и создаваемых дизелей; вопросы комплексной модернизации уже выпущенных двигателей рассматриваются значительно реже.

Одним из основных параметров, характеризующих дизельный двигатель в целом, является его эффективная мощность. Поэтому отечественные и зарубежные производители транспортных дизелей стремятся постоянно повышать значение эффективной мощности проектируемых ими двигателей. Причем появилась тенденция увеличивать эффективную мощность без увеличения массогабаритных показателей двигателя, что особенно важно для транспортных дизелей.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

На эффективную мощность двигателя влияют следующие параметры: диаметр цилиндра, ход поршня, коэффициент тактности, частота вращения коленчатого вала, число цилиндров, среднее эффективное давление.

1 Способы повышения эффективной мощности силовой установки

1.1 Параметры, влияющие на эффективную мощность силовой установки

Одним из основных способов увеличения значения эффективной мощности без изменения массогабаритных показателей дизеля является увеличение среднего эффективного давления ре в цилиндре дизеля.

Среднее эффективное давление является функцией целого ряда величин, определяющих процессы смесеобразования и сгорания топлива [2]:

. Т1.

А=Л —Tlv ЛмРад. а

где А - постоянный коэффициент;

Г|. - индикаторный КПД; а - коэффициент избытка воздуха; r\v - коэффициент наполнения;

Т|м — механический КПД;

Рд.(5) - плотность воздуха.

Плотность воздуха перед впускными органами газораспределения определяется по формуле:

Р k

JL

RT

где Р^ - давление перед впускными органами двигателя;

Тт - температура перед впускными органами двигателя;

R - газовая постоянная.

В настоящее время в транспортном двигателестроении наблюдается тенденция уменьшения массогабаритных показателей путем сокращения числа цилиндров дизеля, при этом значение эффективной мощности должно оставаться прежним или быть увеличенным. Это может быть достигнуто только путем увеличения давления перед впускными органами двигателя, т. е. давления наддува Р^, так как увеличение цикловой подачи топлива бесполезно, если одновременно не увеличивается объем воздуха, необходимый для его сгорания [2].

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

1 85

Современные технологии - транспорту

1.2 Системы наддува

Наддув - создание избыточного давления воздуха во впускном коллекторе двигателя [2].

Форсирование двигателя по давлению наддува - это увеличение мощности двигателя за счет увеличения давления наддува и соответствующего увеличения цикловой подачи топлива.

Совокупность устройств, обеспечивающих подачу во впускной коллектор двигателя требуемого количества воздуха с заданным давлением, называется системой воздухоснабжения или, при наличии наддува, системой наддува.

В дизелях и двигателях внутреннего сгорания применяются различные варианты систем наддува.

На дизелях отечественных тепловозов применяются различные схемы и конструкции систем наддува. Основными признаками, по которым различаются системы наддува различных дизелей, являются [2]: тип нагнетателя; тип привода нагнетателя;

наличие и конструкция системы промежуточного охлаждения наддувочного воздуха.

Типы воздушных нагнетателей: объемные компрессоры; центробежные компрессоры.

Типы привода агрегатов воздухоснабжения:

механический

газотурбинный.

На практике наибольшее распространение получили системы газотурбинного наддува. Такими системами оборудованы дизеля типа Д49, установленные на пассажирском тепловозе ТЭП70, грузовом 2ТЭ116 и на маневровом ТЭМ7.

2 Виды систем наддува

2.1 Недостатки используемых в настоящее время систем наддува

В системах газотурбинного наддува дизелей отечественного производства в большинстве случаев используется один турбокомпрессор высокой производительности. Однако схема турбонаддува с одним работающим турбокомпрессором имеет ряд существенных недостатков: узкий диапазон частот вращения коленчатого вала, соответствующий эффективной работе турбокомпрессора;

значительное снижение крутящего момента при работе на малых частотах вращения;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

недостаточная приемистость на переходных режимах.

Как показывают статистические данные, тепловозный двигатель, особенно маневровых и грузовых тепловозов, большую часть своего рабочего времени функционирует в режиме холостого хода, переходных режимах и режимах малых нагрузок.

Среди многообразия переходных режимов работы двигателя наибольшее значение имеют режимы, от которых зависит производительность или качество технологического процесса, осуществляемого энергетической установкой. Эти режимы являются определяющими, а также имеют место при эксплуатации тепловозов. Как правило, все переходные режимы связаны с наибольшим изменением цикловых подач топлива [1].

К переходным режимам относятся:

работа при разгоне локомотива с малой скорости движения до номинальной;

работа дизель-генератора при приеме (набросе) нагрузки;

работа двигателя после преодоления локомотивом повышенного сопротивления движению (сброс нагрузки, пуск двигателя).

Перечисленные недостатки у дизелей с газотурбинным наддувом возникают в первую очередь из-за инерционности ротора турбокомпрессора (не равные ускорения ротора турбокомпрессора и коленчатого вала дизеля). Вследствие этого турбокомпрессор работает на неэкономичных режимах (с низким значением адиабатного КПД), а это в свою очередь приводит к ухудшению процесса воздухоснабжения дизеля на всех режимах работы.

2.2 Совершенствование систем наддува энергетических установок

Мощность, которую может развивать дизель, напрямую зависит от количества воздуха и топлива, которые поступают в цилиндры дизеля. Значит добиться повышения мощности двигателя можно путем увеличения количества этих составляющих. Увеличение количества топлива бесполезно, если одновременно не увеличивается объем воздуха, необходимый для его сгорания.

Одним из решений этой проблемы является увеличение объема воздуха, поступившего в цилиндры, при этом сжигание большого количества топлива дает возможность получить большую энергию. Это означает, что необходимый для сгорания топлива воздух необходимо сжать перед подачей в цилиндры [3].

В 50-х годах прошлого века фирмы Volvo и Scania в Европе и Commins в США правильно оценили потенциал турбонаддува тяжелых дизелей в направлении повышения мощности и снижения удельного

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 8 7

расхода топлива. С тех пор показатели двигателей и турбокомпрессоров резко улучшились. Таким образом, можно отметить, что совершенствование систем наддува до сих пор является одним из главных направлений в модернизации дизелей в целом.

Ранее было сказано, что основные недостатки систем наддува с одним турбокомпрессором высокой производительности связаны прежде всего с инерционностью ротора турбокомпрессора. Поэтому в данных схемах целесообразно уменьшить массу ротора при работе силовой установки на низких частотах вращения коленчатого вала, так как при низких частотах вращения коленчатого вала энергии отработавших газов недостаточно для раскрутки ротора турбокомпрессора до частоты вращения, необходимой для экономичной работы энергетической установки в целом.

Уменьшение момента инерции ротора турбокомпрессора за счет его облегчения позволит в значительной степени сократить время переходного процесса и в большей мере снизить степень рассогласования работы топливной системы и системы воздухоснабжения.

Для повышения эффективности работы системы воздухоснабжения можно использовать следующие методы [2], [3].

1. Применение газотурбинной системы наддува от свободного турбокомпрессора.

2. Применение импульсной системы наддува, схема которой представлена на рисунке 1.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

Рис. 1. Схема импульсной системы наддува

Наибольший эффект достигается при компоновке, обеспечивающей использование коротких выпускных трубопроводов. При импульсном наддуве существенно сокращается длительность переходного процесса вследствие повышения располагаемой энергии импульса выпускных газов перед турбиной, позволяющей получить наибольший крутящий момент при соответствующей частоте коленчатого вала Пд. Это способствует более интенсивной раскрутке ротора турбокомпрессора (скорость раскрутки повышается в 1,5-2 раза по сравнению с изобарным наддувом), а следовательно, повышению давления наддува Р^, цикловой подачи топлива £ц и коэффициента избытка воздуха ос, а также улучшению индикаторных показателей дизеля. Однако применение импульсного наддува целесообразно при Р^ < 0,20 МПа.

3. Применение регистровой системы наддува, схема которой представлена на рисунке 2.

Система регистрового наддува - это система наддува, содержащая не менее двух турбокомпрессоров с возможностью отключения одного или сразу всех турбокомперссоров. Включением и выключением турбокомпрессоров управляет электронный блок. Как показывает опыт зарубежного дизелестроения, применение системы регистрового наддува приводит к улучшению качества работы дизеля на переходных, неустановившихся режимах, а также в режимах малых нагрузок.

4. Регулирование и выбор рациональной площади сечения соплового аппарата турбокомпрессора.

Задающим параметром системы регулирования турбокомпрессора является нагрузка дизеля (точнее, перемещение рейки топливного насоса высокого давления - ТНВД). Регулирование сопловых аппаратов турбокомпрессора осуществляется с одновременным автоматическим корректированием цикловой подачи топлива. Площадь проходного сечения соплового аппарата турбины может изменяться в пределах 40%.

Сопловое регулирование применяется в целях ускорения разгона турбокомпрессора. Уменьшение площади проходного сечения соплового аппарата турбины приводит к увеличению давления газов перед турбиной Рт, способствует повышению мощности на валу турбокомпрессора и более интенсивному его разгону. Следствием этого является более полное обеспечение дизеля требуемым при новом режиме количеством воздуха. По мере завершения переходного процесса площадь проходного сечения соплового аппарата увеличивается до требуемой на конечном режиме.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 8 9

Таким образом, регулирование турбокомпрессора повышает приемистость дизеля, улучшает воздухоснабжение, снижает дымность выпускных газов, на 25-30% уменьшает длительность разгона турбокомпрессора (применительно к дизелю 6ЧН 15/18 с ТКР-14Р-А).

Рис. 2. Схема регистровой системы наддува:

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

T - колесо турбины; К - колесо компрессора; З - заслонка, включающая/отключающая ТК; СУ - система управления тепловозом; Po - атмосферное давление ; Tm - температура отработавших газов (ОГ) на входе в турбину; To - температура наружного воздуха;

Pm - давление ОГ на входе в турбину ; nm - степень повышения давления в турбине; nk - частота вращения вала ТК; Tk - температура наддувочного воздуха; Pk - давление наддувочного воздуха; Рi~ давление наддувочного воздуха перед охладителем;

Г/ - температура наддувочного воздуха перед охладителем; стохл - потеря тепла в охладителе; щ— степень повышения давления; АР - потеря давления

5. Турбокомпаунд. При турбокомпаунде на дизель установлены турбокомпрессор и газовая турбина, которая соединена через гидромуфту и шестеренчатый редуктор с коленчатым валом дизеля.

2.3 Регистровая система наддува

Из всех способов увеличения эффективности систем воздухоснабжения рассмотрим систему регистрового наддува.

Системы регистрового наддува являются одним из главных направлений совершенствования систем наддува.

Системы регистрового наддува нашли применение за рубежом на тепловозных, судовых, автомобильных дизелях, а также в газовых двигателях.

Суть регистрового наддува заключается в установке на дизель нескольких (двух, трех и более) турбокомпрессоров, производительность которых может быть различной. Дизель с системой регистрового наддува может работать сразу со всеми турбокомпрессорами, а также в зависимости от необходимости предусматривается отключение одного, нескольких или всех турбокомпрессоров (в данном случае дизель будет работать без наддува - как атмосферный двигатель). Отключение турбокомпрессоров необходимо в основном в переходных и неустановившихся режимах, а также в режимах малых нагрузок.

Самой простой схемой регистрового наддува является система, содержащая два турбокомпрессора одинаковой производительности, работающих параллельно, с возможностью отключения одного из них. Существуют системы регистрового наддува, содержащие три турбокомпрессора различной или одинаковой производительности, работающих параллельно. Включением, отключением турбокомпрессоров в зависимости от нагрузки, частоты вращения коленчатого вала управляет электронный блок.

Испытания, проводимые в США на дизеле двадцатитонного грузового автомобиля, заключались в измерении времени разгона автомобиля от 60 до 130 км/ч и расхода топлива в процессе данного разгона. Суть

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1 9 1

испытаний заключалась в измерении указанных выше параметров при установке на дизеле автомобиля системы газотурбинного наддува с одним турбокомпрессором большой производительности; системы наддува, содержащей два турбокомпрессора низкой производительности с возможностью отключения одного из них; системы газотурбинного наддува с турбокомпрессором, геометрические размеры соплового аппарата которого можно изменять (турбокомпрессора с регулируемым сопловым аппаратом - РСА). Результаты испытаний приведены в таблице.

Тип схемы наддува Время разгона от 60 до 130 км/ч, с Расход топлива, кг

С 1 ТК (стандартная система) 242 2,02

Регистровый наддув 186 1,41

ТК с РСА 155 1,78

Заключение

Как видно из таблицы результатов испытаний, применение системы регистрового наддува по сравнению со стандартной системой приводит к снижению расхода топлива на 30% и к улучшению динамики разгона на 23%, а по сравнению с турбокомпрессором, у которого регулируемый сопловый аппарат, к снижению расхода топлива на 21% при ухудшении динамики разгона на 20%.

При использовании системы регистрового наддува снижается также температура наддувочного воздуха. Снижение температуры наддувочного воздуха уменьшает тепловую напряженность энергетической установки. Снижение тепловой напряженности позволяет продлить срок службы различных узлов и агрегатов силовой установки, а также сократить общее число ремонтов.

Уменьшение температуры наддувочного воздуха, кроме того, сокращает вероятность возникновения пожара, что является очень важным при эксплуатации тепловозов.

Следовательно, можно сделать общий вывод: система регистрового наддува дает преимущества как с экономической точки зрения, так и с позиций охраны труда.

Библиографический список

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4

Современные технологии - транспорту

1. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания / А. Э. Симсон,

A. З. Хомич, А. А. Куриц и др. - М. : Транспорт, 1987. - 536 с.

2. Энергетические установки подвижного состава / В. А. Кручек,

B. В. Грачев, В. В. Крицкий. - М. : Академия, 2006. - 352 с. - ISBN 5-7695-2295-x.

3. Локомотивные энергетические установки / А. И. Володин, В. З. Зюбанов, В. Д. Кузьмич - М. : ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с. - ISBN 594069-029-7.

Статья поступила в редакцию 29.04.2009;

представлена к публикации членом редколлегии А. В. Грищенко.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС 2009/4