Транспорт
Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Епишин А.Ю., аспирант, ассистент кафедры Российской открытой академии транспорта Московского государственного университета путей сообщения
К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ ЭКОНОМИЧНОСТИ ДИЗЕЛЬ-ГЕНЕРАТОРОВ ТЕПЛОВОЗОВ В ПЕРЕХОДНЫХ РЕЖИМАХ УПРАВЛЕНИЯ
В статье отражены вопросы повышения топливной экономичности дизелей. Топливная экономичность дизелей зависит от коэффициента полезного действия дизеля и уровня тепловозной характеристики. При настройке тепловозной характеристики, необходимо следить за мощностью дизеля и теплонапряженностью деталей поршневой группы, т.к. повышение тепловых перегрузок, может привести к снижению их надежности. Совершенствование систем управления дизель-генераторов тепловозов в переходных режимах повышает топливную экономичность.
Ключевые слова: дизель-генератор, качество регулирования, регуляторы, экономичность, переходные процессы.
ON INCREASING ОЕ FUEL-SAVING OF LOCOMOTIVES DIESEL GENTRATORS IN
TRANSIENT OPERATION MODES
There is the issue of raising fuel efficiency of diesel engines explored in the article. Fuel efficiency of diesel depends on coefficient of energy efficiency of diesel and locomotive performance level. When customizing locomotive performance, and increasing its performance level in particular, the upgrade of loads and thermal stress of components of diesel motor should be observed, since the increasing thermal overloads may result reliability degradation. Modernization of locomotive diesel generator control systems in transient operation modes increases fuel efficiency.
Keywords: diesel-generator, quality of regulation, regulators, economy, transitional processes.
Работа тепловозных дизелей характеризуется частыми сменами режимов управления, где показатели расхода воздуха и газов, проходящие через систему двигателя (компрессор, цилиндры, турбину) определяет эффективность силовой установки.
По статистике, на магистральных тепловозах смена скоростного режима дизель - генератора происходит 55 - 65 раз за час работы.
Эффективность силовой установки определяется значением расхода воздуха через дизель- генератор, показателями давления воздуха на входе и выходе из цилиндров, наполнением, смесеобразованием, эффективным сгоранием топлива, давлением и температурой газов на выпуске из турбины и т.д.
Расход воздуха через дизель можно представить выражением;
= (П • Удиз • P4 - Ч )/(T4 •R •t • 2пТ1 (1)
где,
- наполнение цилиндров дизеля;
3
Удиз - объем цилиндров дизеля, м ;
Р4 - давление воздуха в впускном коллекторе, МПа;
Ю д - частота вращения коленчатого вала, рад/с;
Т4 - температура воздуха в впускном коллекторе, К;
Яв - газовая постоянная воздуха, Дж-кг/К;
т - коэффициент тактности дизеля.
С ростом форсировки давление надувочного воздуха повышается, меняется тепловозная характеристика в переходных режимах, где изменением потоков воздушных масс, проходящих через стенки цилиндров (клапанов, сечение коллекторов), изменяют нагрузочную характеристику и цикловую подачу топлива. Изменяя внешнюю характеристику тепловоза, мы ограничиваем или увеличиваем расход воздуха через цилиндры, что принципиально дает возможность уменьшить цикловую подачу топлива в переходных режимах.
Определение точности настройки работы силовой установки с программным обеспечением, а именно с электронным регулятором частоты вращения вала (ЭРЧМЗТ), позволяет оптимизировать работу дизеля и задать максимальную эффективность.
Изменяя частоту вращения коленчатого вала в соответствии с принятым заданием алгоритма управления снимается мощность с дизель-генератора, которая определяется условием получения внешних характеристик тепловоза с текущим расходом воздуха и топлива [1].
Частые смены режимов тепловозных дизелей с гидромеханическим регулятором 10Д100 не давали точной настройки, при снятии реализуемой мощности, тепловозная характеристика менялась, тепловозы дымили.
Улучшение работы дизелей в переходных режимах можно получить при введении в систему ограничения подачи топлива в зависимости от давления надува, что было сделано в регуляторе 4 - 7РС2. Однако, все механические связи в гидромеханических регуляторах имели недостатки в точной настройки регулирования и требовалось дополнительное время на их обслуживание.
С применением электронных регуляторов ЭРЧМЗТ (ППП ОАО («Дизельавтоматика»), многие проблемы в настройке были решены. Однако, в переходных режимах дизель - генераторов дымление и следовательно увеличение расхода топлива продолжается, которое вызвано дополнительными сопротивлениями движущихся масс в поршневой группе, повышенными механическими потерями и т. д.
При смене режимов работы тепловозных дизелей, возникают процессы заброса газов в впускной коллектор, где при смешивании потока воздушных масс с газами образуется рабочая смесь топлива с воздухом [2];
0 = ; (2) Сг = 0 + ^ (3)
где,
Ов - расход воздуха дизелем кг/с;
Ог - расход газов дизелем кг/с;
Ы - секундный расход топлива, кг/с;
При забросе газов в впускной коллектор увеличивается коэффициент избытка воздуха:
а (с, + т г).
вг_ Ь„ / Ы ' (4)
где,
Lo - требуемое количество воздуха для сгорания топлива (14,3кг);
тг - масса заброшенного газа во впускной коллектор кг/цикл.
При забросе газов в впускной коллектор повышается температура воздуха:
Тз = Т2 - Еох • (Т2 - Тох); (5)
где,
Тох - температура воды на входе в теплообменнике, К; Т2 - температура воздуха после компрессора, К; Еох - коэффициент полезного действия охладителя;
Температура сгорания топлива в цилиндрах дизеля определяется выражением;
Т = Т +(- Ии .(1-Ц -оШ-еI))/Срг/С;
(6)
где,
Т6 - температура воздуха на входе в цилиндры дизеля, К;
Ни - теплотворная способность топлива, Дж-кг/К
П - индикаторная кпд дизеля ;
сП - коэффициент недожога топлива (0,001);
й - коэффициент теплоотдачи в воду от стенок цилиндра (0,135).
В переходных режимах управления тепловозом происходит изменение индикаторного кпд. На некоторых позициях контроллера он незначительно повышается, на других становится чуть ниже [3].
Заброс газов в впускной коллектор позволяет поддерживать индикаторное кпд в зоне экономичного режима двигателя, так как температура сгорания топлива в цилиндрах становится чуть выше обычного режима (10 - 20К), что принципиально увеличивает мощность и экономичность тепловоза.
Индикаторный кпд дизеля можно задать выражением;
СВ - 2пт 1 Тпе п =——т:-—т^; (7)
— • *ёц Аа!
где,
ъ - число цилиндров дизеля;
§ц - цикловая подача топлива, г/цикл;
Д^ - приращение эффективного кпд дизеля;
Да^ - суммарный коэффициент избытка воздуха.
Выводы:
1.Благодаря электронным регуляторам частоты вращения коленчатого вала (ЭРЧМЗТ), обеспечивается точная настройка дизель - генераторной установки на всех выбранных режимах управления.
2.Применение электронных программ и их алгоритмов управления для дизель - генераторов тепловозов повышается топливная экономичность на 3 - 5%.
3. Совершенствование систем наддува дизелей, а также их управления повышается топливная эффективность тепловозов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Глаголев Н.М. Тепловозы. Л.: Трансжелдориздат. 1948 г. - С. 98 - 99.
2. Володин А.И. Локомотивные энергетические установки. М.: Желдориздат. 2002. - С. 718.
3. Балакин В.И. Экспериментальные и теоретические исследования по созданию новых дизелей и агрегатов Л.: ЦНИДИ. 1980 г. - С. 47 - 48.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.