автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Комбинированная система электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов



0046

9562 _

ВАЛЕЕВ АЛЬБЕРТ ИЛЬШЗОВИЧ

На правах рукописи

КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ ПУСКА ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ МАНЕВРОВЫХ ТЕПЛОВОЗОВ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 С ЕКЗ23П

Казань-2010

004619562

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Марченко Герман Николаевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Корнилов Владимир Юрьевич

кандидат технических наук, доцент Макаров Валерий Генадьевич

Ведущая организация

кафедра «Электрооборудования» Казанского государственного

технического университета

им. А.Н.Туполева, национального исследовательского университета

Защита состоится «19» января 20Н г. в 15.00 часов в аудитории Д-223 на заседании диссертационного совета Д 212.082.04 при Казанском государственном энергетическом университете по адресу: 420066, г.Казань, ул. Красносельская, 51.

Отзывы на автореферат (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) направлять по адресу: 420066, г.Казань, ул. Красносельская, 51,Ученый Совет КГЭУ. Факс: (843) 5438624,5184464.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет». С авторефератом можно ознакомиться на сайте ГОУ ВПО КГЭУ Ьйк/Лулулу.кдеи.ги.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.082.04 кандидат педагогических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Инновационное развитие ОАО «РЖД» направлено на достижение параметров экономической эффективности, экологической и функциональной безопасности и устойчивости промышленного железнодорожного транспорта общего пользования, определенных Транспортной стратегией Российской Федерации и стратегией развития ОАО «РЖД» до 2020 года. Вопросы повышения энергоэффекгивности и ресурсосбережения тепловозов в настоящее время являются главной задачей в области инновационных проектов. В частности, немаловажное значение имеет для развития промышленного железнодорожного транспорта решение таких приоритетных задач, как разработка и внедрение инновационных технологий и устройств в области эксплуатации тепловозов; модернизация узлов и систем топливной аппаратуры, зажигания, энергопотребления; поиск новых подходов нейтрализациии отработавших газов дизелей тепловозов.

Экономическая ситуация в стране не позволяет в достаточной степени обновлять тяговый подвижной состав (ТПС), что требует поиска новых подходов и технологий по поддержанию его в работоспособном состоянии. В настоящее время особую актуальность приобретают вопросы, связанные с поиском методов и средств повышения топливной экономичности и экологической безопасности дизелей тепловозов.

Маневровая работа является важной составляющей железнодорожного транспорта. Эксплуатационные показатели дизельных двигателей в полном жизненном цикле в значительной степени зависят от его пусковых характеристик. Как показывают многочисленные исследования, только доводка рабочих процессов в дизелях тепловозов за счет выбора конструктивных и регулировочных параметров дизеля и его топливной аппаратуры не позволяет решить задачу повышения их топливной экономичности и экологической безопасности. Причем, проблема режима запуска дизелей тепловозов при низких температурах (-5°С...-30°С), когда выбрасывается в атмосферу огромное количество топлива и токсичных веществ, остается вне поля зрения исследователей. Анализ же технического состояния маневровых тепловозов позволяет искать пути решения этой проблемы в совершенствовании системы зажигания и создания устройств повышения технико-экономических показателей и эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов, уменьшении расхода топлива за счет исключения холостого хода, унификации батарей, снижении загрязнения окружающей среды, минимизации риска коммерческой деятельности за счет повышения надежности тепловозов.

В работах Российских ученых Ю.Н., Иванова С.А., Осипова С.И и др., проведены исследования по использованию суперконденсаторов для решения проблемы обеспечения графика нагрузки электроэнергетической системы. Показана эффективность использования комбинированных энергоустановок, как перспективных устройств, позволяющих повысить технико-экономический уровень и эксплуатационные характеристики транспортных средств.

Значимость проблематики в региональном аспекте подтверждается еще и тем, что в настоящее время на территории Республики Татарстан функционируют пять предприятий промышленного железнодорожного транспорта: ОАО «Казанское межотраслевое предприятие «Промжелдортранс», ООО «Железнодорожник», ООО «Промтранс-А», ООО «Промжелдортранс-Сервис» и ООО «Менделеевсказот». Основной их деятельностью является

перевозка грузов со станций примыканий ОАО «РЖД» к промышленным предприятиям республики и обратно. Пользователями услуг данных предприятий являются крупнейшие предприятии промышленности. Среди них можно назвать ОАО «Казаньоргсинтез», ОАО «КАМАЗ», ОАО «Татнефть», ОАО «Казанский вертолетный завод», ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», предприятия на территории Свободной экономической зоны «Алабуга» и другие. Повышение технико-экономического уровня, совершенствование эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов позволит при этом, кроме прочего, получить весьма значительный экономический эффект в целом.

Объекты исследования - электротехнические системы, обеспечивающие накопление, передачу импульсной электрической энергии в систему зажигания транспортных средств; комбинированный емкостно-аккумулирующий энергоисточник (ЕАЭ) на базе суперконденсаторов и электронных устройств управления энергоисточниками; переходные процессы и пусковые характеристики дизелей с комбинированной системой зажигания.

Цель работы - разработка и создания надежной, экономичной комбинированной системы электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов, позволяющей повысить энергетические и качественные характеристики источников электропитания системы зажигания.

Основная идея диссертационной работы заключается в построении эффективной комбинированной системы электропитания (КСЭП) на базе суперконденсаторов для повышения технико-экономических характеристик транспортных средств, обоснования совокупности технических решений и требований при использовании комбинированной системы электропитания в пусковом режиме транспортных средств на примере дизелей маневровых тепловозов необщего пользования. При этом, энергоемкость системы зажигания должна обеспечивать многократный, надежный и гарантированный запуск ДВС при температуре окружающей среды до —30 °С, сбережение энергетических и материальных ресурсов маневровых тепловозов и снижение загрязнения окружающей среды.

Достижение цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:

1. Проведение экспериментальных исследований влияния импульсной нагрузки на эксплуатационные характеристики химических источников (Акб) и КСЭП.

2.Разработка расчетно-экспериментальных методов определения параметров КСЭП, как основной путь повышения надежности и технических характеристик инерционных химических источников тока и суперконденсаторов.

3.Разработка комбинированной системы электропитания для пуска ДВС маневровых тепловозов обеспечивающей многократный, надежный и гарантированный запуск при минусовых температурах окружающей среды.

4.Улучшение эксплуатационных характеристик КСЭП и токораспределительных цепей «заряда-разряда» химических источников тока, за счет применения электронных устройств разделения цепей «заряда-разряда» и сбалансирования.

5.Разработка методики экономической оценки мероприятий по использованию комбинированной системы электропитания для дизелей тепловозов ТЭМ-2,ЧМЭ-3.

6. Оценка эффективного использования импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов дизельного двигателя тепловоза.

Методы исследования: теоретические и экспериментальные исследования на основе разработанных устройств микропроцессорной техники, анализ, синтез, метод аналогии; обобщение и анализ научно-технической литературы; технико-экономический анализ.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается их соответствием исследованиям рабочего процесса дизельного двигателя тепловоза при работе в условиях отрицательных температур окружающей среды, использованием известных апробированных методов и современных контрольно - измерительных приборов, сходимостью расчетных данных с экспериментальными.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана комбинированная система электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов с емкостно-аккумулирующим энергоисточником на основе суперконденсаторов, обеспечивающая повышение топливной экономичности и энергоэффективности перевозочных процессов и эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов.

2. Разработаны и предложены рациональные электрические схемы устройств по интеграции элементов и узлов управления КСЭП, повышении эксплуатационной надежности суперконденсаторов и технических характеристик бортовых химических источников тока, работающих в режимах «заряда» и «разряда».

3. Доказано преимущество использования комбинированной системы электропитания зажигания с емкостно-аккумулирующим энергоиЬточником, по сравнению с инерционными химическими источниками тока за счет сокращения пускового времени дизеля.

4. Предложены высокоэффективные методы и средства снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду.

5. Разработана методика экономической оценки мероприятий по применению комбинированной системы электролитания в системе зажигания ДВС тепловоза.

Практическая значимость работы состоит в:

1. Разработке и внедрении в систему зажигания дизелей тепловозов комбинированную систему электропитания для пуска дизеля, позволяющей обеспечить более высокую производительность маневровых тепловозов; уменьшить загазованность рабочей зоны; снизить в условиях простоя расход топлива.

2. Повышении топливной экономичности и снижении экологического воздействия тепловозных дизелей путем применения комбинированной системы электропитания в режимах «пуска» и «холостого хода».

3. Экономии эксплуатационных расходов, определяющейся снижением расхода топлива, объемов вредных выбросов в атмосферу, снижением отбора мощности на генератор, сменой типа батарей и увеличением ресурса дизеля.

На защиту выносятся следующие положения:

- схемотехнические решения устройств комбинированной системы электропитания и устройств управления системой, алгоритмы их работы для пуска ДВС маневровых тепловозов;

- методика выбора оптимальных параметров КСЭП, как основной путь повышения надежности и технических характеристик инерционных химических источников тока и суперконденсаторов;

- методика экономической оценки и обоснования применения комбинированной системы электропитания в системе зажигания ДВС маневровых тепловозов;

- методика снижения отрицательного экологического воздействия дизелей тепловозов на окружающую среду.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты обсуждены и одобрены на: 13-ой, 14-ой, 15-ой ежегодной Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА" (2007-09 г.г, Москва); Межвузовских магистерско-аспирантских семинарах, посвященных Дню Энергетика (2007-09 г.г КГЭУ, Казань); 11-ой Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (ЕЬР1Т 2009,Тольяти); IV - Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г.Вологда. 2008).; Международной молодежной научно-технической конференции «Тинчуринские чтения» (2007-20 Юг.г, КГЭУ).

Личный вклад соискателя: приведенные в диссертации результаты являются составной частью НИОКР, выполяемых в ОАО «Казпромжелдортранс» при личном участии автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений и методов, анализ результатов и их внедрение на промышленном предприятии.

Реализация результатов работы. Результаты исследований послужили основой для разработки технико-экономических предложений по использованию комбинированной системы электропитания в системе зажигания маневровых тепловозов необщего пользования. На основании проведенных исследований разработана и изготовлена комбинированная система электропитания на основе суперконденсаторов, и внедрена в систему зажигания тепловоза ТЭМ-2 на предприятии ОАО «Казпромжелдортранс»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 138 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 62 рисунка, 15 таблиц и список использованной литературы из 90 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настоящее время одной из проблем региональных железнодорожных предприятий является решение актуальных задач, таких как повышение эксплуатационных и технических характеристик маневровых тепловозов, уменьшение расхода топлива, снижение загрязнения окружающей среды, снижение риска коммерческой деятельности за счет повышения надежности

тепловозов, приводящих к усилению позиций ОАО «РЖД» на рынке перевозок. Адресная работа по повышению энергоэффективности перевозочного процесса республики Татарстан должна обеспечить предприятию, как ОАО «Казпромжелдортранс», в 2010 году относительную экономию топливно-энергетических ресурсов в объеме 1,8.тыс. тонн в условном исчислении на сумму 2,1 млн. руб. (в ценах 2008 г.). Поэтому вопросы энергоэффективности перевозочного процесса и экономичности маневровых тепловозов требуют существенных исследований и являются весьма актуальными.

В главе 1 проведен анализ существующих методов и средств повышения энергоэффективности, топливной экономичности всего перевозочного процесса и снижения экологического воздействия тепловозных дизелей и прочей эксплуатационной деятельности маневровых тепловозов необщего пользования.

Система зажигания предназначена для воспламенения топливо-воздушной смеси в точно установленный момент времени. Надежное зажигание в широком диапазоне режимов работы двигателя является существенным фактором для эффективной работы. Необходимой операцией надежного запуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС) является поддержание нормированной частоты вращения коленчатого вала, с целью обеспечения условий протекания смесеобразования, сжатия и воспламенения. Нормированная частота вращения коленчатого вала дизелей осуществляемая электростартером зависит от многих условий и параметров бортового источника. Существенное значение имеет температура окружающей среды, емкость аккумуляторных батарей, степень их заряженности и т.д. Известно, что мощность пусковых электростартеров составляет примерно 15- 20% мощности пускаемого дизельного двигателя тепловоза. Также, энергоемкость системы зажигания должна обеспечивать необходимое число повторных пусков и быстро восстанавливаться при работе ДВС. Однако, в ходе практической эксплуатации тепловозов аккумуляторные батареи работают при уровне заряженности 50-70% от номинального (нередки случаи снижения ёмкости батареи до 30%). При этом увеличивается внутреннее сопротивление бортовой батареи, снижается пусковой ток стартера, увеличивается время прокрутки вала дизеля до момента надежного пуска. Всё это, наряду со старением аккумуляторных батарей снижается вероятность гарантированного запуска ДВС. Не имея устройств гарантированного пуска, машинисты вынуждены оставлять ДВС работающим на холостом ходу, расходуя горючее и моторесурс, загрязняя окружающую среду. Расчетное определение расхода топлива в пусковом режиме ДВС, зависящего от рабочего объема и от числа оборотов вала, производится в соответствии с выраженим

GTC = [1,8 p0Vh /(RwjaT0)]nv(n¡l0)ar. (1)

где, ро -давление окружающей среды (воздух), V/, - рабочий объем двигателя, Re0Ji,- газовая постоянная воздуха, Г^-температура остаточных газов, ijy -коэффициент заполнения, в котором вес топлива составляет долю аЛЛц. («т -коэффициент количества топлива, 10 -расчетное количество воздуха необходимое для полного сгорания топлива).

В табл. 1 приведены сравнительные результаты аналитических и опытных измерений расхода топлива тепловозов ОАО «Промжелдортранс» с комбинированной системой электропитания.

Таблица 1

Сравнительные результаты измерений расхода топлива с ЕАЭ.

Тепловоз Дизель Расход топлива за сутки, опыт, Акб.кг Расход топлива за сутки, Расчет, кг Расход топлива в рабочем режиме кг Расход топлива в режиме «простоя» кг Экономия Топлива за сутки с АКБ+КСЭП Опыт,кг

ТГМ-23 12ЧН 14/14 8736,42 8580 2912 5824 5805

2ТЭ116 1А-5Д49 8684,28 8472 2894 5780 5735

2ТЭ10М 10Д100 9073,86 8894 3024 6048 5940

ЧМЭЗ K6S310DR 2121,12 1998 707 1414 1380

ТЭМ2(2 ПД-1М 3729,82 3694 1243 2486 2423

ТЭМ-2 ЗА-6Д49 3396,14 3219 1132 2240 2190

ТГМ5 ЗА-6Д49 3659,58 3623 1219 2439 2385

На основании измеренной расхода топлива расходометром ОР-40/2СЭ и расчетов по формуле (1), проведённых в ОАО «Промжелдортранс», на тепловозах ТЭМ-2 (дизель ЗА-6Д49), ЧМЭ-3 (дизель КбБЗЮОЯ), сделан вывод о целесообразности обоснования и применения КСЭП в системе зажигания дизелей в пусковом режиме, обеспечивающем топливную экономичность и экологическую безопасность тепловозных дизелей.

В главе 2 приведены методики экспериментального и аналитического исследований по обоснованию применения КСЭП на основе суперконденсаторов в системе зажигания для нормирования частоты вращения коленчатого вала в пусковое время.

Анализ электрической схемы всего электрооборудования тепловоза и режимов его работы позволил выявить особенности работы системы зажигания и целесообразность ее совершенствования. Общая схема КСЭП представленная на рис.1, содержит устройства разделения цепей «заряда», «разряда» и сбалансирования, повышающие надежность всей системы.

1. Общая схема комбинированной системы электропитания

Изучение переходных процессов в цепи зажигания ДВС с комбинированной системой электропитания проводилось по разработанной схеме (рис. 2), где было исследовано воздействие разной импульсной нагрузки на бортовой источник питания тепловоза и комбинированную систему, в режимах накопления, хранения, выдачи энергии.

Х5С1

На рис.3, приведены осциллограммы, иллюстрирующие падения напряжений бортовой сети, как со штатной аккумуляторной батареей, так и с суперконденсатором (С=10Ф), при частоте воздействия нагрузки 20 Гц.

Аналогичные результаты были получены при частотах от 10 до 500 Гц, при этом происходило увеличение тока нагрузки до тока короткого замыкания (рис.2).Анализ полученных данных свидетельствовал о существенном различии величин напряжений питания при различных токах нагрузки, как без накопителя электроэнергии, так и с накопителем.

Рис. 3. Посадки напряжения в режимах отдачи и накопления электроэнергии КСЭП при частоте воздействия нагрузки 20 Гц.

В табл. 2 показаны характерные изменения падений напряжений бортовой сети (без конд.-диАкб и с конд. ЛиАкб+конд С=10 Ф) при варьировании токов нагрузки в режиме «разряда» (выдачи электроэнергии).

___Таблица 2

№ п/п Л Гц 1„„„ • Ю, А !„„„ -5, А !„„,, • 2.5, А Гц'ш "1.25, А

лидк(>, % ДиЛк<+ конд, ли*кб, % диАк5 + конд,% ДиАк& % лиАк6 + КОНД,% диАкб, % диА11б + конд,%

1 10 63,05 15,6 78,3 13,2 39,6 8,5 13,6 3,2

2 20 63,01 14,8 76,2 13,0 39,2 8,5 13,6 2,8

3 50 59,63 14,8 75,0 12,8 36,8 8,3 13,7 3,0

4 100 56,4 14,7 68,48 13,2 34,2 8,4 12,3 2,6

5 200 49,65 13,9 59,4 13,2 33,0 8,3 11,4 2.4

6 500 42,7 13,5 56,8 12,4 33,6 83 19,8 2,2

В табл. 3 приведены зависимости частоты вращения коленчатого вала ДВС от Акб (степени заряженности) и комбинированной системы электропитания.

Таблица 3

№ Зараженность Акб.30% Заряженность Акб.40% Заряженность Акб.60% Заряженность Акб.100%

<°ЛМ, об/мин "АкЧН-кон. об/мин Олкй* Об/миН об/мин Шдк«. об/мин об/мин об/мин Об/мИН

1 10 923,82 2109,37 989,06 2170,31 1503,16 2287,5 2259,76 2420,31

2 20 924,60 2130,07 1094,92 2175 1519,92 2287,5 2059,76 2429,68

3 50 1008,98 2130,07 1195,58 2179,68 1579,68 2292,18 2057,42 2425

4 100 1089,84 2132,42 1328,89 2769,92 1644,14 2289,84 2002,18 2435,15

5 200 1258,59 2152,34 1414,84 2769,92 1675 2292,18 1980,46 2439,84

6 500 1432,42 2162,5 1479,68 2189,84 1659,76 2292,18 1894,68 2444,92

В главе 3 рассмотрены мероприятия по совершенствованию электрооборудования системы зажигания, обоснован выбор параметров комбинированной системы электропитания, решены задачи повышения надежности и технических характеристик как бортовых химических источников тока, так и параллельно подключаемого суперконденсатора при их работе в импульсном режиме.

Использование суперконденсаторов имеет свои особенности ввиду их большой емкости. Непосредственное подключение к химическому источнику приводит к огромным пусковым токам, что равносильно короткому замыканию. Кроме того, использование конденсатора в системах совместно с аккумуляторами может привести к гигантским импульсным выбросам мощности при случайных коротких замыканиях. Однако, не учитывая технических характеристик суперконденсаторов и их правильного подключения к системе зажигания, невозможно обеспечить надежность системы. С целью повышения надежности всей системы запуска разработаны электрические схемы (рис. 4) устройств, обеспечивающие:

а) номинальный режим «заряда» суперконденсатора; б) разделение зарядных и разрядных токов; в) ограничение импульсного разрядного тока; г)

предотвращение перезаряда суперконденсаторов; д) повышение надежности суперконденсаторов, имеющих параметрические отклонения за счет шунтирующих сопротивлений; ж)повышение надежности за счет применения мощных стабилитронов; к) ограничение зарядного напряжения на основе полевых транзисторов; з) мониторинг технического состояния всей КСЭП.

YEÜ U

НН

+ 41

Л 1

Я ti

Рис. 4.Эл«прические схемы устройств повышения эксплуатационных характеристик комбинированной системы запуска дизелей тепловозов

В главе 4 приводится алгоритм оптимизации параметров КСЭП на основе суперконденсаторов CAPACITOR 14рр-0,5/0,015, CAPACITOR 110 ПП-14/0,3 и определение временных характеристик всей комбинированной системы с использованием тепловозных аккумуляторных батарей 32ТН-450 и генератора КГ-12.

Алгоритм оптимизации параметров КСЭП на основе суперконденсаторов осуществляется определением процента энергии, выдаваемой за время пуска дизеля соотношением:

" ornó

где 1Унт - электроэнергия, накопленная во время зарядки, Дж; Womd -электроэнергия отдаваемая в нагрузку, Дж; С - емкость конденсатора, Ф; U¡, U2 - начальное и конечное напряжения, В. При условии, если U¡ =64В и 62 -40В бортовой сети тепловоза

и2=5и;/8, (3)

т.е. конечное напряжение разряда соответствует 62,5% начального (наиболее рациональное), подставляя (3) в (2), получим:

№нак/ 1¥отд = 1,64 (4)

Таким образом, НЭЭ способен отдать около 60% накопленной энергии при разряде до уровня начального напряжения. Требуемая емкость суперконденсатора для выдачи такого количества накопленной энергии при разряде до 62,5% начального напряжения определяется выражением:

С= 128 Штй! 39 и2 (5)

Так как суперконденсаторы подключены параллельно к штатным батареям и в цепь электростартера, посадки напряжения (ДиАкб+ конд ,табл. №2) в момент потребления энергии определяются:

&Ц=1 Г ксэп\ (6)

где / - ток в цепи зажигания электростартера, А; г ксэп - внутренние сопротивления КСЭП, Ом; II- напряжение в цепи, В. Тогда конечное напряжение (3) при разряде до 62,5% начального напряжения определяется выражением:

и2=5(и! - АЦ) /8, (7)

Результаты испытаний комбинированной системы с разработанными устройствами показали надежность и гарантированность КСЭП запуска, при котором суперконденсатор работая в паре со штатной батареей, берёт на себя все мощностные функции в период максимальной востребованности энергии на стартере (первые секунды пуска двигателя).

Параметрические исследования режимов системы зажигания на начальном участке пуска тепловозного дизеля показывают о существенном влияния суперконденсатора на электрические параметры КСЭП в ходе прокрутки дизеля до пуска (Рис. 5).

Рис. 5. Зависимости электрических параметров КСЭП от времени пуска ДВС

На рис. 6 приведен сравнительный временной анализ по годам и месяцам экономии топлива за счет вывода стартерных батарей и установки комбинированной системы электропитания.

Сравненио экономии топлива

Рис. 6. Диаграмма экономии расхода топлива для двух тепловозов за 2007-09 гг.

Глава 5 посвящена анализу методов оценки и путей снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду.

Рис. 7. Схема взаимодействия ДВС с окружающей средой

Приведены технические возможности создания высокоэффективных электрофизических установок для транспортных средств по очистке выхлопных газов от экологически вредных примесей.

На рис.7.показана в виде модели схема взаимодействия ДВС с окружающей средой, из которой вытекают основные направления по совершенствованию отдельных узлов ДВС, разработке и внедрению новейших технологий очистки выхлопных газов, как способ использования импульсной стримерной короны.

С целью повышения эффективности очистки были проведены экспериментальные исследования по выбору формы и параметров импульсного напряжения.

В качестве генератора импульсных напряжений был разработан и изготовлен генератор импульсных напряжений (ГИН) с оптимальными параметрами по степени конверсии отработавших газов, амплитудой 5-8 кВ,

длительностью прямоугольных импульсов 2,5 ±0.5 мс. Регистрация осуществлялась автоматическим переносным многокомпонентным газоанализатором «АНГОР», предназначенным для измерения содержания кислорода, оксида углерода, оксвда и диоксида азота, диоксида серы в отходящих газах топливосжигающих установок.

Из рис. 7 следует характерная особенность снижения степени очистки воздуха от оксидов серы при изменении расхода газа. Вероятно, такая зависимость удаления оксидов серы может быть связана с реакцией отрицательного иона кислорода озона в поле коронного разряда.

¡7, О/о БО

60 40

_ X

V

АХ

■ I ' I г I ■ I ._I_|_I_|_

10 20 30 40 50 во Расход, л'гчшн

Рис. 7. Конверсия вОг в продуктах сгорания топлива при использовании импульсной (примерной короны.

Эти процессы существенно влияют на конверсию БОг, прежде всего при длительном воздействии на газ разрядных импульсов, когда в газе нарабатывается достаточное количество озона.

Основные результаты работы

Подводя итоги теоретических и экспериментальных исследований проведенных в диссертации, можно сформулировать основные результаты:

1. Разработана комбинированная система электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов с емкостно-аккумулирующим энергоисточником на основе суперконденсаторов, обеспечивающая повышение топливной экономичности и энергоэффективности перевозочных процессов и эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов.

2. Разработаны и предложены рациональные' электрические схемы устройств по интеграции элементов и узлов управления КСЭП, повышении эксплуатационной надежности суперконденсаторов и технических характеристик бортовых химических источников тока, работающих в режимах «заряда» и «разряда».

3. Доказано преимущество использования комбинированной системы электропитания зажигания с емкостно-аккумулирующиим энергоисточником, по сравнению с инерционными химическими источниками тока за счет сокращения пускового времени дизеля.

4. Предложены высокоэффективные методы и средства снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду.

5. Впервые проведен расчет технико-экономической эффективности от использования комбинированной системы электропитания в системе зажигания ДВС тепловоза для повышения топливной экономичности. Обоснованы принципы экономии эксплуатационных расходов маневровых тепловозов за счет увеличения продолжительности работы аккумуляторных батарей или появления возможности применения батарей с малой емкостью.

б.Результаты научных исследований внедрены на Казанском межотраслевом предприятии «Промжелдортранс».

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Валеев А.И., Марченко Г.Н. К вопросу экономии дизельного топлива на тепловозах Казанской «Промжелдортранс» И Автоматизация и энергосбережение: Материалы четвертой международной науч.-тех. конференции.Т.1. - Вологда. ВоГТУ, 2008 - С.85-86.

2. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Проблемы и перспективы развития экологических и технико-экономических показателей тепловозных дизельных двигателей // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Тез. докл. Тринадцатой международной науч.-тех. конференции студентов и аспирантов. - М., МЭИ (ТУ), 2008,- 371-373.

3. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Нестационарные методы снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания // Материалы докладов III Молодежной науч . конф. «Тинчуринские чтения» / Под общей редакцией д-ра физ-мат наук. проф. Петрушенко Ю.Я. В Т.З -Казань, Казанский государственный энергетический университет, 2008 - С. 5556.

4. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Мероприятия по повышению экологической безопасности и экономичности дизельных двигателей // В сб. трудов II международного экологического конгресса ELPIT 2009 - Т.1 — Тольяти, ТГУ, 2009 - С.147-149.

5. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Экологические проблемы совершенствования дизельных двигателей тепловозов // Тезисы докладов XIII Аспирантско-магистерского семинара под общей редакцией д-ра физ-мат наук, проф. Петрушенко Ю.Я. Казань, Казанский государственный энергетический университет, 1-5 декабря 2009 ,-С. 51-52.

6. Валеев. А.И., Валеев И.М.. Оптимизация энергопотребления и реализация комплексных мероприятий по экономии топливных ресурсов дизелей // Тезисы докладов XIII Аспирантско-магистерского семинара под общей редакцией д-ра физ-мат наук. проф. Петрушенко Ю.Я. Казань, Казанский государственный энергетический университет, 1-5 декабря 2009 ,-С. 27-28.

7. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Повышение экономичности дизельных двигателей тепловозов ТГМ-6А, ТЭМ-2, (2УМ). // Материалы докладов 14 Международной науч. конф. «Тинчуринские чтения» / Под общей редакцией д-ра физ-мат наук. проф. Петрушенко Ю.Я. В Т.З - Казань, Казанский государственный энергетический университет, 2008 - С. 35-36.

8. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Совершенствование системы запуска дизельных двигателей// Материалы докладов 15 Международной науч . конф. «Тинчуринские чтения» / Под общей редакцией д-ра физ-мат наук. проф.

Петрушенко Ю.Я. В Т.З - Казань, Казанский государственный энергетический университет, 2009 - С.55-56.

9.Валеев А.И., Марченко Г.Н. Нестационарные методы снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания // Энергетика Татарстана. - 2009. - №4(16). С.54-58.

10. Валеев А.И. Обеспечение системной надежности электроснабжения промышленных предприятий // Энергетика Татарстана. — 2009. - №2(14). С.49-51.

Публикации в журналах по списку ВАК

11. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Проблемы развития предприятий агропромышленного комплекса в современных конкурентных условиях // Экономический вестник республики Татарстан. -2009. -№3. - С57-61.

12. Файзуллина С.Х., Валеев А.И.,Марченко Г.Н. Тарификация услуг промышленного железнодорожного транспорта как фактор стабильности развития экономики региона // Экономический вестник республики Татарстан. -2009. -№6. — С.45-49.

13. Валеев А.И. Комбинированная система генерации электрической энергии в режиме запуска ДВС транспортных средств // Энергетика Татарстана. -2010.-№2(18). С.70-73.

14. Петрушенко Ю.Я., Марченко Г.Н., Валеев А.И. Проблемы повышения топливной экономичности и экологической безопасности тепловозных дизелей в пусковом режиме // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2010,-№3-4.-С.45-51.

Подписано к печати 1.11.2010 Вид печати РОМ Формат 60x84/16

Гарнитура «Times» Усл.печ.л.0.94 Бумага офсетная

Тираж 100 экз. Заказ №3929 Уч.-изд. л. 1.0

Типография КГЭУ 420066, Казань, Красносельская, 51

Введение

Общая характеристика работы

Совершенствование системы зажигания и создания электротехнических устройств повышения топливной экономичности и экологической безопасности транспортныхсредств 1.1.Значение модернизации маневровых тепловозов в проблеме разработки энерго - ресурсосберегающих технологий

1.2.Современное состояние промышленного железнодорожного транспорта и задачи повышения технико-экономических показателей на примере маневровых тепловозов

1.3. Разработка критериев оценки топливной экономичности и экологического воздействия тепловозных дизелеи по результатам эксплуатации

1.4. Анализ перспективных технологических приемов очистки выхлопных газов дизелеи транспортных средств Выводы ^

Глава 2. Методологические основы создания комбинированной системы электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания

2.1. Методы и средства по исследованию переходных процессов емкостно-аккумулирующего энергоисточника на основе суперконденсатора в импульсных режимах

2.2.Нестационарные переходные процессы в цепях электростартера тепловоза при запуске от штатной аккумуляторной батареи

2.3.Анализ переходных процессов работы электростартера тепловоза при запуске от комбинированной системы электропитания

2.4. Комбинированная система электропитания в системе зажигания дизеля маневрового тепловоза 64 Выводы

Глава 3. Теоретическое и экспериментальное обоснования параметров и режимов работы комбинированной системы электропитания дизеля маневрового тепловоза

3.1. Теоретические аспекты переходных процессов суперконденсатора в электрических цепях

3.2. Выбор оптимальных параметров суперконденсатора для комбинированной системы электропитания

3.3. Определение временных характеристик и надежности суперконденсаторов при высоких напряжениях

3.4. Параметрические исследования режимов работы комбинированной системы электропитания в начальном участке пуска тепловозного дизеля

Выводы

Глава 4. Разработка и выбор электрических схем устройств повышения надежности комбинированных системы электропитания

4.1. Особенности проектирования комбинированных систем электропитания на базе суперконденсаторов для пуска дизелеи тепловозов

4.2. Разработка и выбор электрических схем устройств повышения надежности комбинированных систем электропитания

4.3. Рекомендации по применению комбинированных энергоисточников в режиме запуска дизелей тепловозов Выводы

Глава 5. Технические решения повышения эффективности очистки выхлопных газов от экологически вредных примесей

5.1. Разработка модели схемы взаимодействия двигателя внутреннего сгорания с окружающей средой

5.2. Обоснование актуальных технологических приемов очистки выхлопных газов дизеля тепловоза.

5.3. Выбор оптимальных способов конверсии выхлопных газов

Выводы

Цель инновационного развития ОАО «РЖД» направлена на достижение параметров экономической эффективности, экологической и функциональной безопасности и устойчивости промышленного железнодорожного транспорта общего пользования, определенных Транспортной стратегией Российской Федерации и стратегией развития ОАО «РЖД» до 2020 года [1]. Вопросы повышения энергоэффективности и ресурсосбережения тепловозов в настоящее время является главной задачей в области инновационных проектов [2]. В частности, немаловажное значение имеет для развития промышленного железнодорожного транспорта решения таких приоритетных задач как:

- разработка и внедрение инновационных технологий и устройств в области эксплуатации тепловозов;

- модернизации узлов и систем топливной аппаратуры, зажигания, энергопотребления;

- поиск новых подходов к проблеме нейтрализации отработавших газов дизелей тепловозов.

Анализ экономической ситуации [3], сложившийся в Татарстане, не позволяет в достаточной степени обновлять тяговый подвижной состав

ТПС). Это вызывает, в свою очередь, поиск новых подходов и технологий по поддержанию его в работоспособном и исправном состоянии, позволяющих обеспечить заданный перевозочный процесс. Кроме того, в настоящее время особую актуальность приобретают вопросы, связанные с износом и разрегулировкой такого агрегата, как дизеля тепловоза. Причем, интерес к разработке методов и средств повышения топливной экономичности и экологической безопасности дизелей тепловозов, а именно пусковых характеристик значительно возрос.

Маневровая работа является важной составляющей железнодорожного транспорта. Она выполняется на станциях маневровыми тепловозами по установленным технологическим процессам и планам формирования поездов. Эксплуатационные показатели дизельных двигателей в полном жизненном цикле в значительной степени зависят от его пусковых характеристик [4,5]. Как показывают многочисленные исследования, только доводка рабочих процессов в дизелях тепловозов за счет выбора конструктивных и регулировочных параметров дизеля и его топливной аппаратуры не позволяет решить задачу повышения топливной экономичности и экологической безопасности дизелей. Причем, проблема режима запуска дизелей тепловозов при низких температурах -5°С.-30°С, при которых выбрасывается огромное количество топлива и токсичных веществ, остается вне поля зрения исследователей.

Из последних работ [14,60] можно выделить исследования, проводимые академиком РАЭН С.А.Ивановым, профессором В.А.Вениковым и рядом других ученых, связанных применением комбинированных энергоустановок, на основе импульсных энергоемких конденсаторов, в рельсовом транспорте и энергосистеме. При этом рассмотрена эффективность использования суперконденсаторов как перспективных устройств, которые позволили в какой-то мере решать проблемы современных бортовых химических источников транспортных средств, в частности, повысить технико-экономический уровень и эксплуатационные характеристики маневровых тепловозов не общего пользования.

Анализ [6,7] технического состояния маневровых тепловозов свидетельствует о возможном совершенствовании системы зажигания и создания устройств повышения технико-экономических показателей и эксплуатационных характеристик. В то же время, многие вопросы предприятий промышленного железнодорожного транспорта (ППЖТ), оказывающих услуги по перевозке грузов на путях не общего пользования (НОП) остаются практически не затронутыми. Тогда как проблемы, накопившиеся в данной подотрасли значимы, не только с точки зрения жизнеспособности самих предприятий-перевозчиков, но и имеют значимость с точки зрения эффективности функционирования отдельно взятых региональных промышленных комплексов.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Инновационное развитие ОАО «РЖД» направлено на достижение параметров экономической эффективности, экологической и функциональной безопасности и устойчивости промышленного железнодорожного транспорта общего пользования, определенных Транспортной стратегией Российской Федерации и стратегией развития ОАО «РЖД» до 2020 года. Вопросы повышения энергоэффективности и ресурсосбережения тепловозов в настоящее время являются главной задачей в области инновационных проектов. В частности, немаловажное значение имеет для развития промышленного железнодорожного транспорта решение таких приоритетных задач, как разработка и внедрение инновационных технологий и устройств в области эксплуатации тепловозов; модернизация узлов и систем топливной аппаратуры, зажигания, энергопотребления; поиск новых подходов нейтрализациии отработавших газов дизелей тепловозов.

Экономическая ситуация в стране не позволяет в достаточной степени обновлять тяговый подвижной состав (ТПС), что требует поиска новых подходов и технологий по поддержанию его в работоспособном состоянии. В настоящее время особую актуальность приобретают вопросы, связанные с поиском методов и средств повышения топливной экономичности и экологической безопасности дизелей тепловозов.

Маневровая работа является важной составляющей железнодорожного транспорта. Эксплуатационные показатели дизельных двигателей в полном жизненном цикле в значительной степени зависят от его пусковых характеристик. Как показывают многочисленные исследования, только доводка рабочих процессов в дизелях тепловозов за счет выбора конструктивных и регулировочных параметров дизеля и его топливной аппаратуры не позволяет решить задачу повышения их топливной экономичности и экологической безопасности. Причем, проблема режима запуска дизелей тепловозов при низких температурах (когда выбрасывается в атмосферу огромное количество топлива и токсичных веществ, остается вне поля зрения исследователей. Анализ же технического состояния маневровых тепловозов позволяет искать пути решения этой проблемы в совершенствовании системы зажигания и создания устройств повышения технико-экономических показателей и эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов, уменьшении расхода топлива за счет исключения холостого хода, унификации батарей, снижении загрязнения окружающей среды, минимизации риска коммерческой деятельности за счет повышения надежности тепловозов.

В работах Российских ученых Ю.Н., Иванова С.А., Осипова С.И и др., проведены исследования по использованию суперконденсаторов для решения проблемы обеспечения графика нагрузки электроэнергетической системы. Показана эффективность использования комбинированных энергоустановок, как перспективных устройств, позволяющих повысить технико-экономический уровень и эксплуатационные характеристики транспортных средств.

Значимость проблематики в региональном аспекте подтверждается еще и тем, что в настоящее время на территории Республики Татарстан функционируют пять предприятий промышленного железнодорожного транспорта: ОАО «Казанское межотраслевое предприятие «Промжелдортранс», ООО «Железнодорожник», ООО «Промтранс-А», ООО «Промжелдортранс-Сервис» и ООО «Менделеевсказот». Основной их деятельностью является перевозка грузов со станций примыканий ОАО «РЖД» к промышленным предприятиям республики и обратно. Пользователями услуг данных предприятий являются крупнейшие предприятии промышленности. Среди них можно назвать ОАО «Казаньоргсинтез», ОАО «КАМАЗ», ОАО «Татнефть», ОАО «Казанский вертолетный завод», ОАО «Казанское моторостроительное производственное объединение», предприятия на территории Свободной экономической зоны «Алабуга» и другие. Повышение технико-экономического уровня, совершенствование эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов позволит при этом, кроме прочего, получить весьма значительный экономический эффект в целом.

Объекты исследования - электротехнические системы, обеспечивающие накопление, передачу импульсной электрической энергии в систему зажигания транспортных средств; комбинированный емкостно-аккумулирующий энергоисточник (ЕАЭ) на базе суперконденсаторов и электронных устройств управления энергоисточниками; переходные процессы и пусковые характеристики дизелей с комбинированной системой зажигания.

Цель работы — разработка и создания надежной, экономичной комбинированной системы электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов, позволяющей повысить энергетические и качественные характеристики источников электропитания системы зажигания.

Основная идея диссертационной работы заключается в построении эффективной комбинированной системы электропитания (КСЭП) на базе суперконденсаторов для повышения технико-экономических характеристик транспортных средств, обоснования совокупности технических решений и требований при использовании комбинированной системы электропитания в пусковом режиме транспортных средств на примере дизелей маневровых тепловозов необщего пользования. При этом, энергоемкость системы зажигания должна обеспечивать многократный, надежный и гарантированный запуск ДВС при температуре окружающей среды до —30 °С, сбережение энергетических и материальных ресурсов маневровых тепловозов и снижение загрязнения окружающей среды.

Достижение цели обеспечивается постановкой и решением следующих основных задач:

1. Проведение экспериментальных исследований влияния импульсной нагрузки на эксплуатационные характеристики химических источников (Акб) и КСЭП.

2.Разработка расчетно-экспериментальных методов определения параметров КСЭП, как основной путь повышения надежности и технических характеристик инерционных химических источников тока и суперконденсаторов.

3.Разработка комбинированной системы электропитания для пуска ДВС маневровых тепловозов обеспечивающей многократный, надежный и гарантированный запуск при минусовых температурах окружающей среды.

4.Улучшение эксплуатационных характеристик КСЭП и токораспределительных цепей «заряда-разряда» химических источников тока, за счет применения электронных устройств разделения цепей «заряда-разряда» и сбалансирования.

5.Разработка методики экономической оценки мероприятий по использованию комбинированной системы электропитания для дизелей тепловозов ТЭМ-2,ЧМЭ-3.

6. Оценка эффективного использования импульсной стримерной короны для очистки отработавших газов дизельного двигателя тепловоза.

Методы исследования: теоретические и экспериментальные исследования на основе разработанных устройств микропроцессорной техники, анализ, синтез, метод аналогии; обобщение и анализ научно-технической литературы; технико-экономический анализ.

Обоснованность и достоверность полученных результатов обеспечивается их соответствием исследованиям рабочего процесса дизельного двигателя тепловоза при работе в условиях отрицательных температур окружающей среды, использованием известных апробированных методов и современных контрольно — измерительных приборов, сходимостью расчетных данных с экспериментальными.

Научная новизна работы заключается в том, что:

1. Разработана комбинированная система электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов с емкостно-аккумулирующим энергоисточником на основе суперконденсаторов, обеспечивающая повышение топливной экономичности и энергоэффективности перевозочных процессов и эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов.

2. Разработаны и предложены рациональные электрические схемы устройств по интеграции элементов и узлов управления КСЭП, повышении эксплуатационной надежности суперконденсаторов и технических характеристик бортовых химических источников тока, работающих в режимах «заряда» и «разряда».

3. Доказано преимущество использования комбинированной системы электропитания зажигания с емкостно-аккумулирующим энергоисточником, по сравнению с инерционными химическими источниками тока за счет сокращения пускового времени дизеля.

4. Предложены высокоэффективные методы и средства снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду.

5. Разработана методика экономической оценки мероприятий по применению комбинированной системы электропитания в системе зажигания ДВС тепловоза.

Практическая значимость работы состоит в:

1. Разработке и внедрении в систему зажигания дизелей тепловозов комбинированную систему электропитания для пуска дизеля, позволяющей обеспечить более высокую производительность маневровых тепловозов; уменьшить загазованность рабочей зоны; снизить в условиях простоя расход топлива.

2. Повышении топливной экономичности и снижении экологического воздействия тепловозных дизелей путем применения комбинированной системы электропитания в режимах «пуска» и «холостого хода».

3. Экономии эксплуатационных расходов, определяющейся снижением расхода топлива, объемов вредных выбросов в атмосферу, снижением отбора мощности на генератор, сменой типа батарей и увеличением ресурса дизеля.

На защиту выносятся следующие положения:

- схемотехнические решения устройств комбинированной системы электропитания и устройств управления системой, алгоритмы их работы для пуска ДВС маневровых тепловозов;

- методика выбора оптимальных параметров КСЭП, как основной путь повышения надежности и технических характеристик инерционных химических источников тока и суперконденсаторов;

- методика экономической оценки и обоснования применения комбинированной системы электропитания в системе зажигания ДВС маневровых тепловозов;

- методика снижения отрицательного экологического воздействия дизелей тепловозов на окружающую среду.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты обсуждены и одобрены на: 13-ой, 14-ой, 15-ой ежегодной Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов "РАДИОЭЛЕКТРОНИКА, ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭНЕРГЕТИКА" (2007-09 г.г, Москва); Межвузовских магистерско-аспирантских семинарах, посвященных Дню Энергетика (2007-09 г.г КГЭУ, Казань); П-ой Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (ЕЬР1Т 2009,Тольяти); IV - Международной научно-технической конференции «Автоматизация и энергосбережение машиностроительного и металлургического производств, технология и надежность машин, приборов и оборудования» (г.Вологда. 2008).; Международной молодежной научно-технической конференции «Тинчуринские чтения» (2007-20 Юг.г, КГЭУ).

Личный вклад соискателя: приведенные в диссертации результаты являются составной частью НИОКР, выполяемых в ОАО «Казпромжелдортранс» при личном участии автора. В работах, опубликованных в соавторстве, соискателю принадлежит постановка и формализация задач, разработка теоретических и методических положений и методов, анализ результатов и их внедрение на промышленном предприятии.

Реализация результатов работы. Результаты исследований послужили основой для разработки технико-экономических предложений по использованию комбинированной системы электропитания в системе зажигания маневровых тепловозов необщего пользования. На основании проведенных исследований разработана и изготовлена комбинированная система электропитания на основе суперконденсаторов, и внедрена в систему зажигания тепловоза ТЭМ-2 на предприятии ОАО «Казпромжелдортранс»

Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 работ, из них 4 публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 138 страницах, состоит из введения, 5 глав, заключения; содержит 62

Выводы:

1 .Проведен анализ методов оценки и путей снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду.

2. Разработана модель схемы взаимодействия ДВС с окружающей средой. Приведены сведения, о величинах некоторых газовых выбросов маневровых тепловозов.

3. Сравнительными методами очистки выхлопных газов дизелей по энергоемкости и степени очистки показано, что эффективным способом является использование импульсной стримерной короны с определенными электрическими параметрами.

Заключение

Основные научные и практические результаты диссертации состоят в следующем:

1. Разработана комбинированная система электропитания для пуска двигателей внутреннего сгорания маневровых тепловозов с емкостно-аккумулирующим энергоисточником на основе суперконденсаторов, обеспечивающая повышение топливной экономичности и энергоэффективности перевозочных процессов и эксплуатационных характеристик маневровых тепловозов.

2. Предложена, разработана и реализована методика исследования влияния импульсной нагрузки различной частоты на инерционность (повторный пуск дизеля) химического источника (Акб) и на комбинированную систему зажигания с дополнительным импульсным источником электроэнергии (суперконденсатором различной емкости и соединений).

3. Разработаны и предложены рациональные электрические схемы устройств повышения надежности суперконденсаторов и аккумуляторных батарей и всей системы зажигания за счет обеспечения: а) номинального режима «заряда» суперконденсатора; б) разделения зарядных и разрядных токов; в) ограничения импульсного разрядного тока; г) предотвращения перезаряда суперконденсаторов; д) повышения надежности суперконденсаторов, имеющие параметрические отклонения за счет шунтирующих сопротивлений; ж) повышения надежности суперконденсатора, за счет применения мощных стабилитронов; и) ограничения зарядного напряжения, применением полевых транзисторов; з) мониторинга технического состояния всей КСЭП.

4. Доказано преимущество использования комбинированной системы электропитания зажигания с емкостно-аккумулирующиим энергоисточником, по сравнению с инерционными химическими источниками тока за счет сокращения пускового времени дизеля.

5. Предложены высокоэффективные методы и средства снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду.

6. Впервые проведен расчет технико-экономической эффективности использования комбинированной системы электропитания в системе зажигания ДВС тепловоза для повышения топливной экономичности. Обоснованы принципы экономии эксплуатационных расходов маневровых тепловозов за счет увеличения продолжительности работы аккумуляторных батарей или появления возможности применения батарей с малой емкостью.

7. Результаты научных исследований внедрены на Казанском межотраслевом предприятии «Промжелдортранс» для пуска двигателей внутреннего сгорания маневрового тепловоза ЧМЭ-3.

8. Впервые проведен расчет технико-экономической эффективности использования комбинированной системы электропитания по повышению топливной экономичности и экологического воздействия, за счет совершенствования системы зажигания дизелей тепловозов в пусковом режиме.

9. Предложены и обоснованы нестационарные методы снижения токсичности, отработавших газов дизельных двигателей тепловозов.

10. Обоснованы принципы экономии эксплуатационных расходов маневровых тепловозов за счет увеличения продолжительности работы аккумуляторных батарей или появления возможности применения батарей с малой емкостью.

1. В Коллегии МПС России. Развитие реформ на железнодорожном транспорте в 2006г. Железнодорожный транспорт. Изд. «Транспорт» М., 2006. № 2. с.З, 4.

2. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Проблемы развития предприятий агропромышленного комплекса в современных конкурентных условиях // Экономический вестник республики Татарстан. -2009. -№3. — С57-61.

3. Валеев А.И., Марченко Г.Н. К вопросу экономии дизельноготоплива на тепловозах Казанской «Промжелдортранс» // Автоматизация и энергосбережение: Материалы четвертой международной науч.-тех. конференции.Т.1. Вологда. ВоГТУ, 2008 - С.85-86.

4. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Мероприятия по повышению экологической безопасности и экономичности дизельных двигателей // В сб. трудов II международного экологического конгресса ELPIT 2009 Т. 1 -Тольяти, ТГУ, 2009 - С.147-149.

5. П.Фофанов Г.А., Пахомов Э.А., Лосев A.A. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности. Вестник ВНИИЖТ. 1983. - № 6. - 85 с.

6. Валеев А.И. Обеспечение системной надежностиэлектроснабжения промышленных предприятий // Энергетика Татарстана. 2009. - №2(14). С.49-51.

7. Валеев А.И. Комбинированная система генерации электрической энергии в режиме запуска ДВС транспортных средств // Энергетика Татарстана. -2010. №4(18). С.54-58.

8. Веников В.А. Функциональные возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах // Электричество. -1983. -№4. С.1-7.

9. Басов Г.Г., Гундарь В.П., Игнатьев O.JI. Информационно-аналитическая система диагностирования и управления надежностью подвижного состава // Локомотив-информ. 2006.- № 3. - С. 22-26.

10. Петрушенко Ю.Я., Марченко Г.Н., Валеев А.И. Проблемы повышения топливной экономичности и экологической безопасности тепловозных дизелей в пусковом режиме // Изв. ВУЗов. Проблемы энергетики. -2010. №3-4. - С.45-51.

11. Валеев А.И., Марченко Г.Н. Нестационарные методы снижения токсичности, отработавших газов двигателей внутреннего сгорания // Энергетика Татарстана. 2009. - №4(16). С.54-58.

12. Бабанин А.Б., Касьянов И.Н., Судаков В.А. Интенсивная технология технического обслуживания и диагностирования тепловозов ЧМЭЗ. М., 1991. - 10 с. Деп в ЦНИИ ТЭИМПС 31.01.91г. № 5363.

13. Д.А. Мачерет «Планирование и регулирование работы железнодорожного транспорта»/ Экономика железных дорог 1999 г - №1 -с. 25-31.

14. Воронин В.В. Экономическая география РФ. Изд. «Самарская государственная экономическая академия» Самара, 2006. с. 327.

15. Госкомстат. Российский статистический ежегодник. Изд. «Логос». М., 1999. с.583, 585.

16. Громов И.Н. Единая транспортная система. Изд. «Транспорт» М., 1999. с. 165.

17. Симеон А.Э. ДВС Тепловозные дизели. Газотурбинные установки. М: Транспорт, 1980. -328 с.

18. А. С. Орлин, М. Г. Круглова. ДВС Теория поршневых и комбинированных двигателей.- М: Транспорт,1983.-485 с.

19. Ленин И.М. Автомобильные и тракторные двигатели. Учебник для вузов. -М: «Высшая школа», 1976. -368 с.

20. Павлов В.П. Железнодорожная статистика // Железнодорожный транспорт. Изд. «Транспорт». М., 2005. № 7. с.48.

21. Альтернативные виды топлива для дизельного подвижного состава.- Железные дороги мира. -1998.-№ 2. -С.28-33.

22. Булаев В.Г. Снижение токсичности тепловозных дизелей.-Железнодорожный транспорт.- М.- 1993.-№10.- С. 45-48.

23. Булаев В.Г., Козлов Ю.М., Тарасов Е.М. Антитоксичное устройство для маневровых тепловозов.- Железнодорожный транспорт.-М.- 1989.-№2.- С. 35-37.

24. Кудрявцев А.П., Чичин A.B., Сакаев Э.К. Средства экологического контроля. Локомотив-. М.- 1999.-№3.- С. 25-28.

25. Михайлова И.П. Проблема борьбы с загрязнением атмосферы выхлопными газами автомобилей. Серия обзоров.- М.: ГОСИНТИ, ПБГ.-1971.-№5.-70 с.

26. Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. М: Транспорт, 1990. -135 с.

27. Захаров А.Г. «Совершенствование планирования и анализа грузовых перевозок на железнодорожном транспорте», М., Транспорт, 1990 г.,285 с.

28. Шелест П.А. Расчет периода задержки самовоспламенения топлива в дизелях. — «Известия вузов. Машиностроение», 1963, № 8, с. 197—204.

29. Николаенко A.B. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. -М.: Колос, 1984.

30. Справочник моториста установок сДВС / Под ред. Вешкельский С.А.- JL: Машиностроение, 1985. 270 с, с ил.

31. Симеон А.Э., Синенко А.П. и др. Испытания тепловозных и судовых дизелей типа Д100. М.: Машиностроение. - 1960. - 264 с.

32. Хартман К., Лецкий Э., К. Шеффер В. Планирование эксперимента в исследовании процесса. М.: Мир.- 1977. -320 с.

33. Кодинцев И.Ф., Бабков Е.В. Электровоз двойного питания ЭП10: особенности конструкции и электрических схем. Экипажная часть // Локомотив. —1999. — № 12. — С. 9—11.

34. Зорин В.И. Современные системы обеспечения безопасности // Железнодорожный транспорт—2000.—№11. — С. 52—54.

35. Сорин Л.Н. Состояние и перспективы развития электроподвижного состава// Локомотив. — 2003. — № 9. — С. 2—4.

36. Сорин Л.Н. Перспективные электровозы для железных дорог России // Железные дороги мира. — 2003. — № 8. — С. 18—24.

37. Сорин Л.Н. Новый типаж магистральных электровозов: Сб.докл. Межд. конференции «Механика и трибология транспортных систем». — Ростов н/Д, 2003. — Т.2. — С. 282—288.

38. Stitler G. Risikominimierung bei Fahrzeugentwicklungen // Elektische Bahnen. — 1989. — №4. — S. 104—111.

39. Gathmann H. Übersieht über die jüngsten Entwicklungen der Drehstomantriebstechnik bei elektrieschen Bahnen / H. Gathmann,W. Harprecht, W.D. Weigel //Elektrische Bahnen. — 1988. — 1. — S. 22—39.

40. Kehrmatm H. Vierquadrantenumrichter — eine netzfreundliche

41. Einspeisung fur Triebfahrzenge mit Drehstromantrieb / H. Kehrmann, W. Lienau, R. Nill // Elektrische Bahnen. — 1974. — 6. — S. 135—142.

42. Лещев А.И. Электровоз двойного питания ЭП 10: особенности конструкции и электрических схем / А.Н. Лещев, С.С. Матекин, С.А. Усвицкий, B.C. Кириллов // Локомотив. —1999.—№ 11. — С. 28—32.

43. Бервинов В.И. Техническое диагностирование локомотивов. — М.: УМК МПС России., 1998.

44. Папченков С.И. Электрические аппараты и схемы тягового подвижного состава железных дорог. — М.: УМК МПС России, 2000.

45. Савичев Н.В. Электрические схемы электровоза ЧС2Т. — М.: УМК МПС России. 2001.

46. Николаенко A.B. Теория, конструкция и расчет автотракторных двигателей. М.: изд-во «Колос», 1984, 334с.

47. Астахов Ю.Н., Веников В;А., Иванов.А.М. и др. Функциональные возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах // Изв. РАН. Электричество. 1983. №4.

48. Константинов И.П., Валеев И.М. Оценка способов регулирования напряжения на выводах электроприемников // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007.-№3-4.- С. 38-45.

49. Ишков А.Г. Проблемы охраны окружающей среды на ж/д транспорте. Железнодорожный транспорт. Изд. «Транспорт» М., 2005. № 2. с.53, 54.

50. Валуев А.А., Каклюгин. А.С., и др. Радиационно-плазмохимические методы очистки газов. // ТВТ. 1990. Т. 28. №5. С. 995 -1008.

51. Amirov R.H., Asinovsky EJI., Samoilov I.S. Removal of S02 and NOx from flue gases by gas discharge // Perspectives in Energy. 1991. Vol. 1.1. P. 435- 448.

52. Masuda S. Pulse corona induced plasma chemical process: a gorizon of new plasma chemical technologies // Pure and Appl. Chem. 1988. Vol. 60. №5.P.727 731.

53. Fujii K., Higashi M., Suzuki H. Simultaneous removal of NOx , COx, SOx, and Soot in Diesel Engine Exhaust // Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Part B. NATO ASI Series. 1993. Vol. 34. P. 257 280.

54. Penetrante B.M. Plasma Chemistry and Power Consumption in Non-Thermal DeNO* // Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. PartA.NATO ASI Series. 1993. Vol. 34. P. 65 89.

55. Matzing H. Chemical Kinetics of Flue Gas Cleaning by Electron1. Beam.

56. Tech. Report KfK 4494. February 1989. Karlsruhe.

57. Babaeva N.A., Kulikovsky A.A., Naidis G.V. On the use of pulsed streamer corona discharge for removal toxic components in gas mixtures // Int.Symp. on Heat and Mass Transfer in Chemical Processes Industry Accidents par26, Sept. Rome. Italy. 1994.

58. Куликовский А.А. Двумерное моделирование положительного стримера в азоте // Физика низкотемпературной плазмы, Материалы конференции. Ч. 3. Петрозаводск, 1995. С. 352 — 354.

59. Babaeva N.Yu., Naidis G.V. Two dimensional modeling of positive streamer dynamics in non-uniform electric fields in air // J. Phys. D: Appl. Phys.1996. Vol. 29. №9. P. 2423 2431.

60. Creyghton Y.L.M., van Veldhuizen E.M., Rutgers W.R. Electrical and optical study of pulsed positive corona // Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Part A. NATO ASI Series. 1993. Vol. 34. P. 205 230.

61. Amirov R.H., Asinovsky E.I.,I.S. Samoilov, A.V. Shepelin Oxidation characterisitics of nitrogen monoxide by nanosecond pulse corona discharge in a methane combustion flue gas / //Plasma Sources Sci. Technol. 1993. Vol. 2. P. 289 -295.

62. Matzing H. Chemical Kinetics Model of SCA/NO* removal by electron beam // Non-Thermal Plasma Techniques for Pollution Control. Part A. NATO ASISeries. 1993. Vol. 34. P. 59 — 64.

63. Kondo K., Ikuta N. Spatio-temporal gas temperature rise in repetitive positive streamer corona in air//J. of Phys. Soc. Japan. 1990 Vol. 59. №9. P. 3203 3216.

64. Смит К., Томсои P. Численное моделирование газовых лазеров. М.: Мир, 1981.78.0ran E.S., Boris J.P. Numerical simulation of reactive flow. N-Y.,1987.

65. Miller J.A., Bowman C.T. Mechanism and modeling of nitrogen chemistry in combustion // Prog. Energy Combust. Sci. 1989. Vol. 15. P. 287 — 338.

66. Evaluated kinetic data for combustion modeling / D.L. Baulch, D.J. Cobos, R.A. Cox et al. // J.Phys.Chem. Ref. Data. 1992. Vol. 3. №2.

67. Шепелин A.B., Амиров P.X., Самойлов И.С. Влияние постоянного напряжения и формы высоковольтных импульсов на синтез озона в стримерной короне. Препринт №1-372. М.: ИВТАН. 1994.

68. Железняк М.Б., Филимонова Е.А. Использование импульсного стримерного разряда для удаления оксидов азота из продуктов сгорания углеводородных топлив // Физиканизкотемпературной плазмы. Материалы конференции. Ч. 3. Петрозаводск, 1995. С. 352-354.

69. Filimonova Е.А., Zhelezniak М.В. Removal of toxic components in gas flow using plasma sources of chemical active molecules // Proceeding: Int. Symp. onHeat and Mass Transfer in Chemical Processes Industry Accidents par #26. SeptRome. Italy, 1994.

70. Slanger T.G., Black D. Quenching of N( 2D) by N2 and H20 // J.Chem. Phys. 1976. Vol. 64. №11. P. 4442 4444.

71. Chae J.O., Desiaterik Yu.N., Amirov R.H. Removal of NO* and S02 from gas using a pulse corona and ammonia addition // HAKONE V. Int. Symposium on High Pressure Low Temperature Plasma Chemistry, Milovy, Czech Rebublic. September 2-4. 1996. P. 155 159.

72. Амиров P.X., Десятерик Ю.Н, Чо Ч.О. Исследование удаления N0X и S02 из газового потока с помощью импульсной короны при добавлении аммиака // VIII Конференция по физике газового разряда. Тезисы докладов. Ч. 2. Рязань, 1996. С. 15-16.

73. Лукашин М.В. Исследование работы стартерных суперконденсаторов в импульсном разряде. // в журнале "The Battery Man", США, октябрь 1997 г. (ISSN 0005-6359).

74. А.И. Беляков. Суперконденсаторы для пуска ДВС и электротранспорта. Материалы Международного семинара "Перспективные технологии из России", октябрь 1994 г., Университет Претории, ЮАР.