УДК 621.43-2:62-23:62-33

Д.т.н. Балабин В.Н.

Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), Россия

Повышение топливной экономичности тепловозных

дизелей на эксплуатационных режимах

 Основные направления совершенствования тепловозных дизелей можно представить так:

· повышение термического КПД путем совершенствования смесеобразования и сгорания топлива;

· применение новых типов топливоподающей аппаратуры (электронных с микропроцессорным управлением);

· повышение среднего эффективного давления (до 2,1…2,4 МПа) и максимального давления сгорания до 20…23 МПа;

· совершенствование систем наддува, в том числе газотурбинного и значительное повышение КПД турбокомпрессора;

· снижение выбросов токсичных веществ и комплексные мероприятия по защите окружающей среды.

На основные параметры рабочего процесса решающим образом влияют: коэффициент наполнения, коэффициент остаточных газов, мощность насосных потерь, а также на показатели выбросов, главенствующим из которых являются СО, СН и NO_x.

Наибольшее влияние на эти параметры оказывают фазы газораспределения (ФГР), при которых реализуется минимальный среднеэксплуатационный расход топлива.

Выбор фаз зависит от характеристик ДВС, его назначения, быстроходности и относительного времени работы по диапазонам, в том числе на холостом ходу при минимальной частоте вращения коленчатого вала.

Различная патентная литература и ряд выполненных исследований свидетельствуют, что регулированием ФГР можно значительно улучшить технико-экономические показатели двигателей, расширить ассортимент используемых топлив, снизить жесткость работы двигателя и, что самое, главное - токсичность выпускных газов.

Другая цель заключается в создании регулируемого привода с механизмом, удовлетворяющим всем требованиям эксплуатации двигателя в качестве транспортной силовой установки с соответствующим сроком службы и необходимыми возможностями управления им. О сложности такого типа задачи достаточно хорошо известно. На практике необходимо решить как минимум следующие вопросы:

- обеспечить практически неограниченные пределы изменения ФГР;

- выполнить автоматическое управление ФГР с помощью датчиков режима работы дизеля и параметров рабочего процесса, которые могут в тех или иных условиях изменяться под влиянием различных внешних условий;

- снабдить индивидуальным подрегулированием ФГР каждый цилиндр независимо от других;

- выполнить простое и быстрое регулирование величины максимального хода клапанов;

- осуществить многократного изменения скорости движения клапанов во время рабочего ходя поршня;

- оптимизировать ФГР и ход клапанов с помощью поисковой управляющей системы, регулирующей и другие параметры работы силовой установки.

Необходимость создания привода, соответствующего выдвинутым условиям, вытекает из современных тенденций в двигателестроении: поиск транспортного двигателя, экономичного на всех эксплуатационных режимах; осуществление микропроцессорного управления двигателем транспортного средства; исключение ремонтных операций в течение всего установленного для конкретных видов транспорта срока службы силовой установки.

В табл. 1 приведены ФГР некоторых отечественных четырехтактных тепловозных дизелей при различной быстроходности и форсировке.

Таблица 1.

ФГР некоторых четырехтактных тепловозных дизелей

Дизель	ФГР, ^0п.к.в.				Частота вращения коленчатого вала nд, об/мин	Эффективная мощность Ne, кВт
	Выпускной		Впускной
	Откр. j1	3акр. j3	Откр. j2	3акр. j4
6ЧН 15/18 (У1Д6-250ТК)	20	48	48	20	1600	183
12Ч 15/18 (1Д12-400К)	20	48	48	20	1600	294
12ЧН 15/18 (1Д12-500)	35	50	60	45	1500	368
12ЧН 18/20 (М756)	50	50	56	50	1500	736
6ЧН 31,8/33 (ПД1М)	80	35	70	69	750	880
6ЧН 31/36 (К6S-310DR)	80	35	45	55	750	995
12ЧН 26/26 (2-2Д49)	57	28	59,5	40,5	1000	1470
16ЧН 26/26 (1А-5Д49)	55	30	50	35	1000	2740
20ЧН 26/26 (1Д49)	55	30	60	40	1100	4120

ФГР для других транспортных двигателей, близких по частоте, размерности и способу воздухоснабжения, как правило, незначительно отличаются от приведенных в табл. 1.

Окончательно ФГР устанавливаются в процессе экспериментальной доводки при контролировании параметров воздушно-газового тракта, определении экономичности и токсичности дизеля.

Существует традиционная апробированная методика определения эксплуатационных ФГР:

· определяют оптимальные ФГР для нескольких режимов работы двигателя в рабочем скоростном интервале от номинального (n_д^ном) до минимального (n_д^min);

· при выбранных фазах каждого интервала определяют удельный эффективный расход топлива (g_e) на других интервалах. Таким образом получается ряд характеристик g_ei=f(n_д), каждая из которых соответствует оптимальным ФГР для одного из диапазонов;

· полученные зависимости обуславливают средний эксплуатационный удельный расход топлива при фазах, оптимальных для каждого выбранного режима.

По данной методике возможно проведение корректировки ФГР тепловозных дизелей, длительное время работающих на режиме холостого хода и малых нагрузках.

На основные параметры газообмена оказывают решающее значение характер распределения нагрузки, степень форсировки дизеля по наддуву, конструктивные размеры, форма и принятый закон движения органов газообмена.

При высоких значениях среднего индикаторного давления (р_i), характеризуемого степенью форсировки наддувом (давление наддува, цикловая подача топлива, коэффициент избытка воздуха) и работе в верхней части нагрузочной характеристики (n_д=const), значительно возрастают давление, температура и количество продуктов сгорания, которые должны быть удалены из цилиндра. Соответственно существующая продолжительность выпуска оказывается недостаточной. Особенно это касается фазы j₁. Малый период надкритического выпуска влечет за собой подъем линии принудительного выпуска, выполняемого поршнем при соответствующем увеличении мощности насосных потерь (N_нп), снижение эффективности последующего периода продувка и, как следствие, снижение индикаторного КПД. В некоторых случаях при импульсном наддуве давление газов в цилиндре к моменту начала продувки может не сравняться с давлением наддува, несмотря на высокие значения последнего.

Не последнее место занимает качественная продувка и период перекрытия клапанов, его расположение относительно верхней мертвой точки (ВМТ) поршня. Более крутой фронт импульса выпуска при остальных равных условиях увеличивает вероятность заброса газов в конце перекрытия клапанов. Для этого необходимо увеличить период продувки, увеличив фазу j₂ и уменьшить фазу j₃.

Таким образом, здесь проявляется следующее противоречие. С одной стороны с увеличением n_д и р_i растет температура деталей камеры сгорания, клапанов газораспределения и газов перед турбиной, и надо увеличивать период продувки, а с другой для устранения забросов газа в цилиндр следует уменьшить это же перекрытие. Это противоречие создает жесткие рамки возможного диапазона регулирования внутренних ФГР j₂ и j₃ по параметрам теплонапряженности и экономичности.

Фаза j₄ прямо влияет на эффективность рабочего процесса, так как оказывает непосредственное действие на коэффициент наполнения (h_v), и величину действительной степени сжатия. Здесь также для каждой частоты n_д существует своя оптимальная фаза j₄, при которой значение h_v достигает максимума. На кривой h_v=f(n_д) всегда имеется точка максимального значения и ниспадающие от неё ветви.

На тепловозе с электрической передачей работа форсированного двигателя происходит по генераторной характеристике, которая представляет собой зависимость эффективной мощности на привод тягового генератора от заданных значений позиций контроллера машиниста (ПКМ) или n_д. Для существующих тепловозных дизелей с р_е=1,2…1,6 МПа условия работы на частичных режимах можно значительно улучшить за счет регулирования ФГР.

Применение регулирования ФГР позволяет увеличить величину крутящего момента на 25…30%, а при номинальной частоте вращения - до 5%. Одновременное изменение величины подъема клапанов с регулированием ФГР обеспечивает интенсивную турбулизацию заряда, что особенно важно при низких n_д.

Что касается крайних ФГР j₁ и j₄, то влияние их на показатели рабочего процесса двигателей достаточно хорошо известны. Настройке внутренних фаз j₃ и j₂ уделяется особое внимание, так как период перекрытия клапанов - важнейший этап газообмена, от которого прямо зависит КПД турбокомпрессора и основные характеристики токсичности.

Например, выполнен расчет изменения удельного эффективного расхода топлива (g_е) при изменении (n_д) дизеля 1А-5Д49 и дискретном ступенчатом регулировании фазы j₃. Расчетная схема газообмена дизеля (зависимость хода клапанов h_кл от угла поворота коленчатого вала j⁰_п.к.в.) представлена на рис.1.

Расчетная схема газообмена дизеля

h_кл НМТ ВМТ НМТ

ВЫПУСКНОЙ КЛАПАН ВПУСКНОЙ КЛАПАН

j₁ j₂ j₃ j₄

30 44 j⁰

37,5 56,5 - базовая фаза j₃ дизеля

Рис.1.

Регулирование фазы представлено в табл.2.

Таблица 2.

Регулирование фазы j₃ в рабочих диапазонах n_д

Диапазон nд, об/мин	400…615	615…690	690…780	780…1000
Установленная фаза j3 ^0п.к.в.	30	37,5	44	56,5

Ступенчатое регулирование, которое применялось в чисто исследовательских целях, не полностью обеспечивает реализацию условия g_е=min по всем диапазоне регулирования n_д.

Результаты показывают, что наибольший эффект снижения g_е получен при минимальной n_д=400 об/мин и уменьшении фазы j₃ с 56,5 до 30⁰ п.к.в.

56,5^0	[		[	0,71%
44^0	[		[	0,91%
37,5^0	[		[	0,35%
30^0	[		[	7,06%

Расчет средней эффективности использования регулирования дизеля в эксплуатации тепловоза 2ТЭ116 выполняем в соответствии с гистограммой загрузки дизеля (рис.2).

Гистограмма режимов работы и генераторная характеристика

дизеля 16ЧН 26/26 (1А-5Д49) тепловоза 2ТЭ116

Рис.2.

Окончательные данные расчета представлены в табл.3.

Таблица 3.

Данные расчета экономичности тепловозного дизеля при регулировании фазы j₃

Средняя мощность дизеля в режиме движения тепловоза, кВт	1194,3
Часовой расход топлива базового дизеля, кг/ч	341,223
Часовой расход топлива экспериментального дизеля с дискретным регулированием фазы j3, кг/ч	332,511
Удельный расход топлива базового дизеля, кг/квт^.ч	0,28571
Удельный расход топлива экспериментального дизеля с дискретным регулированием фазы j3, кг/квт^.ч	0,27842
Экономия топлива при регулировании фазы j3, г/кВт^.ч	7,3
То же в %	2,6

При регулировании других ФГР необходимо учитывать их взаимное влияние. Особенно фаз j₃ и j₂, прямо влияющих на качество продувки. Явление заброса газов характерно для двигателей Д49 при малых частотах вращения коленчатого вала и развитых этих внутренних ФГР.

Непрерывное регулирование всех ФГР дизелей типа ЧН 26/26 обеспечит снижение среднеэксплуатационного расхода топлива тепловозами не менее чем на 6…12%.

Литература:

1. Балабин В.Н. Варианты регулирования фаз газораспределения. /Ж-л «Локомотив», №5, 2004, с.26-29.

2. Балабин В.Н. Выбор фаз газораспределения транспортных двигателей внутреннего сгорания. /Ж-л «Научно-технические ведомости СПбГПУ, №1, 2009, с. 34-38