автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Повышение экономичности тепловозов включением в секцию нескольких дизелей разной мощности

ПЕРЕЧЕНЬ ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ОЦЕНКА ПРОИЗВЕДЕННЫХ

РАНЕЕ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1Л. Наиболее значительные исследования, касающиеся эффективности работы тепловозных дизелей на режимах холостого хода и малых нагрузок.

1.2. Об изменении коэффициентов полезного действия тепловозных дизелей в процессе эксплуатации.

1.3. Удельные расходы топлива.

1.4. Выводы по обзору произведенных ранее исследований. Влияние механических потерь на экономичность дизелей при малых нагрузках.

ГЛАВА 2. ТЕПЛОСИЛОВАЯ УСТАНОВКА ТЕПЛОВОЗА С

НЕСКОЛЬКИМИ ДИЗЕЛЯМИ.

2.1. Общие положения.

2.2. Тепловозные характеристики. Удельные расходы топлива при малых нагрузках.

2.3. Мощность тепловозных дизелей при холостом ходе.

2.4. Расходы топлива при одном дизеле.

2.5. Расходы топлива при двух дизелях в ТСУТ.

2.6. Расходы топлива при трех дизелях в ТСУТ.

2.7. Эффективность работы нескольких дизелей, работающих по нагрузочной характеристике регулирования.

2.8. Обобщение данных о зависимости экономии топлива от характеристики графика потребления энергии во времени работы тепловоза.

2.9. Расход энергии на горячую прокрутку дизеля и экономия топлива с учетом прокрутки.

ГЛАВА 3. ОПЫТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСХОДА ЭНЕРГИИ НА

ПРОКРУТКУ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ.

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНОСТЬ ПОЛУЧЕНИЯ ЭКОНОМИИ ТОПЛИВА ПУТЕМ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВОЗНОЙ ХАРАКТЕРИСТИКИ.

4.1. Виды характеристик регулирования тепловозов и удельные расходы топлива.

4.2. Расчет расхода топлива в эксплуатации ТСУТ при различных тепловозных характеристиках.

4.3. Характеристики цикла дизеля при малых числах оборотов вала.

4.4. Сравнение эффективности способов повышения экономичности теплосиловых установок тепловозов.

ГЛАВА 5. ВРЕДНЫЕ ВЫБРОСЫ, А ТАКЖЕ УСЛОВИЯ ТРУДА ПРИ РАБОТЕ НЕСКОЛЬКИХ ДИЗЕЛЕЙ В СЕКЦИИ

ТЕПЛОВОЗА.

Выбросы вредных веществ (ВВ).

Тепловые выбросы.

Условия работы локомотивной бригады.

ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ НЕСКОЛЬКИХ ДИЗЕЛЕЙ В ТЕПЛОСИЛОВОЙ

УСТАНОВКЕ ТЕПЛОВОЗА.

Исходные данные для расчета.

Экономия в расходах на топливо.

Увеличение затрат на стоимость оборудования.

Изменение годовых расходов на эксплуатацию тепловоза.

ВЫВОДЫ

Тепловозы, работающие на сети железных дорог Российской Федерации, в промышленном транспорте, потребляют значительную часть производимого в стране дизельного топлива -около 15 % [20], что несколько больше половины энергоресурсов потребляемых всеми локомотивами [1]. Ограниченность топливных ресурсов страны, растущая стоимость перевозок, влияющая на эффективность народного хозяйства, требуют постоянного внимания к повышению экономичности теплосиловых установок тепловозов (ТСУТ).

Повышение экономичности тепловозов можно, в определенной мере условно, разделить на два направления: первое - совершенствование конструкций дизелей и вспомогательных агрегатов с целью увеличения коэффициентов полезного действия всех элементов ТСУТ, и второе -совершенствование приспособляемости конструкций ТСУТ в целом к характеристикам графиков нагрузки тепловозов в эксплуатации.

В первом направлении исследовательские работы ведутся непрерывно в течение всех лет существования тепловозов. К ним относятся: совершенствование рабочего процесса в цилиндрах дизеля, повышение максимального давления газа в цилиндре, введение и совершенствование разных типов наддува, повышение эффективности камер сгорания, улучшение качества топлива, совершенствование систем охлаждения и многие другие. В последние годы к этому направлению прибавились предложения по применению на тепловозах систем глубокой утилизации теплоты [11, 12, 26, 40].

Во втором направлении, т.е. в совершенствовании ТСУТ путем согласования их характеристик с графиками нагрузки, интенсивные работы стали проводиться, в основном, в последние десятилетия.

Известно, что продолжительность работы тепловозных дизелей на холостом ходу и малых нагрузках (малых позициях контроллера) составляет 50 и более процентов от всей продолжительности [1, 2, 3, 36]. Это видно также из графиков распределения относительной эффективной мощности дизелей Nc по времени работы Г для тепловозов разных серий - см. рис 0.1 и 0.2 [34].

Nt

1,0

0,9 0,8

0,7

0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

ОД

Л II 1 ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 1 ■ " 1 ■ ■ ■ ■ 1 1 п 1 1 1 ; |

1; ■ 1 "

1; ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■

1 ■ ■ ■ ш

О 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Г, % для тепловоза 2ТЭ10 (10Д100); для тепловозов ТЭП60 (11Д45) и 2М62 (14Д40); для тепловозов 2ТЭ116 (1А-5Д49) и ТЭП70 (2А-5Д49).

Рис. 0.1. Графики распределения мощности по продолжительности работы у тепловозов разных серий в процессе эксплуатации.

Nе - относительная эффективная мощность, Т - относительная продолжительность работы. В скобках - марка дизеля.

На холостом ходу тепловозные дизели потребляют до 12 % всего расходуемого топлива на магистральных [3] и еще больше на маневровых тепловозах. На малых нагрузках удельный расход топлива дизеля значительно - в пять и более раз - может превышать удельный расход при номинальной нагрузке.

Ne 1,0

0,9

0,8

0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД ■ ■ ■ ■ -т 1 ■ ■ ■ ■ 1 I ■ ■ ■

1 и ■ 1 1

1 1

1 I ■ — J

1 ■ ш ■ ■ ■

1 ■ ■ ■ ■

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Г, % для тепловоза 2ТЭ116 (1А-5Д49); для тепловоза ТЭЗ (2Д100); для тепловозов ТЭМ2 (ПД 1М) и ЧМЭЗ (K6S310DR).

Рис. 0.2. Графики распределения мощности по продолжительности работы у тепловозов разных серий в процессе эксплуатации.

Ne - относительная эффективная мощность, Т - относительная продолжительность работы. В скобках- марка дизеля.

Помимо перерасхода топлива на холостом ходу и малых нагрузках ускоряется появление дефектов - износ поршневых колец, закоксовывание выпускных окон в двухтактных двигателях и.т.д.

Вопросы практического улучшения работы тепловозных дизелей на холостом ходу и малых нагрузках, поиска путей согласования ее с характеристиками распределения нагрузки по продолжительности работы активно не решаются, несмотря на имеющиеся экспериментальные исследования и соответствующие предложения. Одним из способов повышения экономичности дизелей при частичных нагрузках является отключение части цилиндров [14]. Известно, что до сих пор практика отключения цилиндров «прорабатывается» (есть опытные образцы) как в России, так и за рубежом (фирмы Форд, МТУ и другие) несмотря на то, что этой проблеме уже много десятков лет [5]. Считается, что двигатель «будущего» должен иметь систему отключения части цилиндров [14].

Представляется целесообразным, учитывая характер изменения нагрузки во времени, включать в тепловую схему одной секции тепловоза не один дизель, как это делается сейчас, а два или три дизеля, причем выбирать их количество и мощность такими, чтобы получить наибольшую экономию топлива. Известно, что предложение о включении двух двигателей в ТСУТ (одной секции) было сделано ранее [4], однако предлагались двигатели одинаковой мощности.

Целесообразно провести оптимизацию выбора относительной мощности включаемых в ТСУТ дизелей, получить количественные данные о полученной экономии топлива, сделать обобщения, касающиеся выбора мощностей дизелей при любой тепловозной характеристике регулирования. Представляется интересным также сопоставить разные тепловозные характеристики друг с другом, рассмотреть вопрос о количественных результатах перехода на наиболее «крутые» тепловозные характеристики, т.е. на характеристики с наименьшими числами оборотов на режимах холостого хода и малых нагрузок.

В этих целях в главе первой настоящей диссертации анализируются существующие исследования, касающиеся рассматриваемых вопросов. В главе второй производятся сравнительные расчеты экономичности ТСУТ с одним, двумя и тремя дизелями разной мощности, обобщаются полученные данные для разных тепловозов, а также для нагрузочной характеристики регулирования. В главе третьей приводятся данные о расходах энергии на горячую прокрутку неработающих в данный момент дизелей ТСУТ. В четвертой главе рассматриваются вопросы экономии топлива при использовании в системе ТСУТ измененных тепловозных характеристик. В главе пятой и шестой приводятся данные об экологических характеристиках в ТСУТ при наличии нескольких дизелей и об экономической эффективности предлагаемых мероприятий.

ВЫВОДЫ

1. Предложен и исследован способ значительного повышения эксплуатационной экономичности магистральных и маневровых тепловозов путем включения в теплосиловую установку (ТСУТ) одной секции двух или более дизелей разной мощности, последовательно нагружаемых и разгружаемых в зависимости от изменения нагрузки.

2. Разработанный в диссертации способ основан на учете особенности графиков нагрузки ТСУТ - большой - до 50 % и более - работы дизелей на режимах холостого хода и малых нагрузок.

3. Разработана методика определения количественных показателей эффективности предлагаемого способа для разных видов нагрузки и разных типов тепловозов. Наивыгоднейшее отношение мощностей при двух дизелях в секции составляет около 0,8:0,2, при трех - 0,6:0,3:0,10.

4. Предложенный способ позволяет экономить в процессе эксплуатации тепловоза (без так называемой «горячей прокрутки») топлива до пятнадцати и более процентов у магистральных и до 30 % у маневровых тепловозов.

5. При использовании горячей прокрутки ненагруженных в данный момент дизелей с целью осуществления «быстрого» включения в работу этих дизелей, экономия топлива составит около 80 % от экономии, полученной без прокрутки.

6. Рассмотрена и количественно оценена экономическая целесообразность изменения тепловозной характеристики регулирования путем уменьшения числа оборотов вала дизеля на режимах холостого хода и малых нагрузок. При понижении числа оборотов на холостом ходу до 150 . 180 1/мин эксплуатационная экономичность ТСУТ возрастает на 6 . 10%, но остается ниже, чем при использовании в ТСУТ нескольких дизелей.

7. Показано, что при включении в ТСУТ нескольких дизелей, выбросы в окружающую среду окисей углерода и азота возрастают, но незначительно (на доли процента). Выбросы сажи, а также тепловое загрязнение среды уменьшаются. Уменьшаются также вибрации корпуса при малых нагрузках, что улучшает условия труда локомотивной бригады.

8. Экономический эффект от внедрения в ТСУТ нескольких дизелей в одной секции тепловоза составит около 400 и более тыс. рублей в год.

1. Чиркин А.П., Гуревич А.Н., Симеон А.Э., Кудряш А.П. Работа тепловозных дизелей на малых нагрузках. - М.: Транспорт, 1966.- 114 с.

2. Двигатели внутреннего сгорания. Тепловозные дизели. Газотурбинные установки. Симеон А.Э., Хомич А.З., Куриц А.А. и др. -М.: Транспорт, 1980. 384 с.

3. Хомич А.З. Эффективность и вспомогательные режимы тепловозных дизелей. М.: Транспорт, 1979. - 144 с.

4. Хомич А.З. Топливная эффективность и вспомогательные режимы тепловозных дизелей. М.: Транспорт, 1987. -270 с.

5. Звонов В.А. Процессы образования токсичных веществ и разработка способов уменьшения их выбросов двигателями внутреннего сгорания // Автореферат докторской диссертации. -Харьков, ХИИТ, 1987. 43 с.

6. Евстифеев Б.В., Соин Ю.В., Низаров И.В. Перспективы использования систем отключения цилиндров // Локомотив, 1996, № 7, -40-42 с.

7. Двигатели внутреннего сгорания. Теория поршневых и комбинированных двигателей. Под ред. Орлина А.С. и Круглова М.Г. -М.: Машиностроение, 1983. 372 с.

8. Дизели. Справочник. Под ред. Ваншейдта В.А. и др. -JL: Машиностроение, 1977. -480 е., ил.

9. Сахаревич В.Д. Оптимизация конструктивных параметров систем воздухоснабжения дизелей по среднеэксплуатационному расходу топлива // Автореферат докторской диссертации. Харьков, ХИИТ, 1985. - 56 с.

10. Касьянов А.В. Пути создания и совершенствования высокофорсированных дизелей мощных маневровых тепловозов // Автореферат докторской диссертации. Харьков, ХИИТ, 1988. - 61 с.

11. Маслов В.В. Утилизация теплоты судовых дизелей. -М.: Транспорт, 1990. 144 с.

12. Марченко А.П. Термодинамические основы повышения утилизации сбросной теплоты. // Автореферат докторской диссертации. Харьков, ХИИТ, 1994. - 48 с.

13. Лацабщзе И. О. Bn6ip и оборухтования рацюнальных енергетических дизельних установок для виробництва елекроенергп i теплоти. // Автореферат кандидатской диссертации. Харьков, ХИИТ, 1998.- 17 с.

14. Коссов B.C., Соин Ю.В. Требования к тепловозному двигателю будущего. // Двигателестроение. 2000, №3. С. 7-8.

15. Вейнблат М.Х., Федякин П.Д. Снижение дымности отработанных газов на режимах холостого хода. // Двигателестроение. 1990, №11.-С. 8-10.

16. Магнитский Ю.А. О совершенствовании методики расчета цикла двигателя внутреннего сгорания. // Известия ВУЗов. С-К регион. Естественные науки. 1997, №4. С. 50-56.

17. Лукницкий В.В. Тепловые электрические станции промышленных предприятий. M.-JI.: Госэнергоиздат, 1958. 472 с.

18. Рыжкин В.Я. Тепловые электрические станции. М.: Энергоиздат, 1987, 328 с.

19. Развитие локомотивной тяги. Фуфрянский Н.А., Долганов А.С., Нестрахов А.С. и др. М.: Транспорт, 1988, 344 с.

20. Временные нормы значений дымности отработанных газов тепловозных дизелей. Методы их контроля в условиях эксплуатации // Министерство природопользования и охраны окружающей среды СССР. М.: МПС СССР, 1991. 30 с.

21. Временные нормы и методы определения удельных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу с отработавшими газами эксплуатируемых тепловозов // Министерство природопользования и охраны окружающей среды СССР. М.: МПС СССР, 1991. 9 с.

22. Расчет нормативов платежей за выбросы загрязняющих веществ тепловозов в атмосферу. Ростов-на-Дону: НИИ механики и прикладной математики РГУ, 1993. 24 с.

23. Аксенов И.Е., Аксенов В.И. Транспорт и охрана окружающей среды. М.: Транспорт, 1986. 248 с.

24. Васильев Ю.Н. и др. Транспорт на газе. М.: Недра, 1992.-341 с.

25. Разуваев А.В. Экономическая эффективность эксплуатации ДВС с системой утилизации тепла. // Двигателестроение. 2000, №3. С. 37 - 39.

26. Методические указания по проведению инвентаризации вредных веществ на железнодорожном транспорте. М.: НИАТ, 1992. -18 с.

27. Маслов В.В. Энергетические установки судов будущего. М.: Судостроение. 1992, №3. С 18-20.

28. Чичин А.В. Эффективность природоохранных технологий. М.: Ж. д. транспорт. 2000, №2.

29. Методика определения массы выбросов загрязняющих веществ от тепловозов в атмосферу // Разработана ВНИТИ, согласована с Госкомэкологией и введена в действие указанием МПС в январе 1998г. -12 с.

30. Кошевой В. А., Корнев А.Н. и др. Применение импульсных конденсаторов сверхвысокой энергоемкости в системах электростартерных пусков дизельгенераторных установок тепловозов // Вестник ВНИИЖТа. 1996, № 1, 35-39 с.

31. Фофанов Г.А., Пахомов Э.А., Лосев А.Л. Режимы работы тепловозов и пути повышения их тепловой экономичности // Вестник ВНИИЖТа. 1983, № 6. С. 21-25.

32. Постарнак С.Ф., Романов В. А. Дизели рефрижераторного подвижного состава. М.: Транспорт, 1989. 288 с.

33. Методические указания по определению влияния вредных выбросов от тепловозов по состоянию атмосферного воздуха в районах железнодорожных станций и узлов. М.: МПС СССР, 1987.

34. Хачиян А.С. и др. Двигатели внутреннего сгорания. М.: Высшая школа, 1985. 260 с.

35. Володин А.И., Фофанов Г.А. Топливная экономичность силовых установок тепловозов. М.: Транспорт, 1979, 126 с.

36. Кулешов Р.В., Магнитский Ю.А. К вопросу о способах измерения параметров, характеризующих работу цилиндров // Вестник РГУПС. 2000, № 3. С. 76-80.

37. Булыгин Ю.И., Жигулин И.Н., Магнитский Я.Ю. Сравнительный анализ термодинамических циклов двигателей внутреннего сгорания // Известия ВУЗов Северо-Кавказский регион. 1996, №2. С-30-34.

38. Патент № 2104400. Комбинированный двигатель внутреннего сгорания с регенератором. Магнитский Ю.А., Жигулин И.Н., Магнитский Я.Ю. Заявлено 30.01.96. Опубликовано в Б.И. 10.02.98. Бюл. №4. МКИ 6F02B41/00.

39. Жигулин И.Н., Малозёмов В.Н., Магнитский Я.Ю. Проверка расчётов процесса расширения газа в цилиндре ДВС // Современные проблемы энергетики / Межвузовский сборник научных трудов. Ростов-на-Дону.: РГУПС. 1998. С 11 - 14.