Повышение эффективности работы тепловозного газодизеля путем регулирования соотношения воздуха и топлива в цилиндрах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Журавлев Андрей Николаевич

• Журавлев Андрей Николаевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Журавлев Андрей Николаевич

1 ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОМОТОРНОГО ТОПЛИВА И ПУТИ ЕГО РАСШИРЕНИЯ

1.1 Отечественный и зарубежный опыт применения природного газа в качестве топлива на локомотивах

1.2 Анализ способов организации рабочего процесса газодизелей транспортных средств

1.3 Анализ возможностей и сдерживающих факторов массового перевода силовых установок тепловозов на газодизельный цикл

1.4 Способы обеспечения стабильности воспламенения газовоздушной смеси

1.5 Выбор объекта исследования

1.6 Цель и задачи исследования

1.7 Выводы по разделу

2 МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЯ ТЕПЛОВОЗА, РАБОТАЮЩЕГО ПО ГАЗОДИЗЕЛЬНОМУ ЦИКЛУ

2.1 Анализ методов математического моделирования показателей работы двигателей

2.2 Математическая модель расчета показателей тепловозного двигателя

2.3 Исследование воспламеняемости газовоздушной смеси

2.4 Оценка адекватности моделирования показателей работы двигателя с данными экспериментальных исследований

2.5 Выводы по разделу

3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ И ОТКЛЮЧЕНИЯ ЦИЛИНДРОВ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ СООТНОШЕНИЯ ВОЗДУХА И ТОПЛИВА В ЦИЛИНДРАХ

3.2 Обоснование достаточного изменения положения дроссельной заслонки

3.3 Результаты моделирования работы дизель-генераторной установки тепловоза на режимах холостого хода

3.4 Обеспечение устойчивой работы силовой установки по газодизельному циклу под нагрузкой

3.5 Работа силовой установки при отключении части цилиндров

3.6 Разработка алгоритма управления сечением дроссельной заслонки и количеством работающих цилиндров дизель-генератора тепловоза

3.7 Выводы по разделу

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУХА И ОТКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТИ ЦИЛИНДРОВ

4.1 Исходные данные для расчета

4.2 Методика расчета технико-экономической эффективности

4.3 Результаты расчета экономической эффективности

4.4 Выводы по разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

123

Актуальность темы исследования

Снижение расходов на топливно-энергетические ресурсы (ТЭР) является одним из приоритетных направлений развития локомотивного комплекса ОАО «РЖД» и предприятий промышленного железнодорожного транспорта. Использование альтернативных видов топлива, таких как водород, природный газ и др. позволяет снизить расходы на ТЭР при условии обеспечения устойчивой работы силовой установки во всем диапазоне рабочих режимов и обеспечении регулирования требуемого соотношения топлива и воздуха в цилиндрах. Наиболее привлекательным с экономической точки зрения и оптимальным по временным затратам является модернизация действующих силовых установок тепловозов для работы по смешанному циклу, например, газодизельному.

Актуальность темы исследования подтверждается необходимостью решения ряда вопросов технического и технологического характера, включенных в соглашение о сотрудничестве между ПАО «Газпром», ОАО «Российские железные дороги», АО «Группа Синара» и АО «Трансмашхолдинг» в области использования природного газа в качестве моторного топлива №75 от 17 июня 2016 г., заключенного в рамках государственной программы Российской Федерации «Расширение использования природного газа в качестве моторного топлива на транспорте и техникой специального назначения» и предусматривающего перевод силовых установок локомотивов на газомоторное топливо.

Отечественный опыт перевода силовых установок тепловозов на работу по газодизельному циклу показал невозможность обеспечения устойчивой (без пропуска воспламенения топлива в цилиндре) работы силовой установки при работе по газодизельному циклу на режимах холостого хода и малых нагрузках (до 40 % от номинальной мощности) из-за нестабильной подачи запальной порции дизельного топлива и низкой объемной концентрацией газа в цилиндре, поэтому работа силовой установки на этих режимах работы обеспечивалась исключительно на дизельном топливе.

В диссертации исследованы показатели работы силовой установки, оборудованной устройствами дросселирования рабочего тела, при отключении части цилиндров для решения проблемы обеспечения требуемых условий для воспламенения природного газа во всем диапазоне рабочих режимов.

Степень разработанности темы

Исследованию повышения эффективности газодизельных двигателей посвящены работы Мазинга Е.К., Орлина А.С., Глаголева Н.М., Портнова Д.А., Луканина В.Н., Володина А.И., Фофанова Г.А., Федотова Г.Б., Григоровича Д.Н., Крохотина Ю.М., Рыжова В.А., Маркова В.А., Коссова Е.Е., Савастенко А.А., Кулешова А.С., Фурмана В.В., Балабина В.Н., Силюты А.Г. и др.

Объект исследования - газодизельный двигатель маневрового тепловоза.

Предмет исследования - показатели работы двигателя маневрового тепловоза при работе по газодизельному циклу.

Цель и задачи исследования — обеспечение устойчивой и экономичной работы газодизельного двигателя маневрового тепловоза на режимах холостого хода и малых нагрузок путем регулирования соотношения воздуха и топлива в цилиндрах.

Для достижения поставленной в работе цели сформулированы и успешно решены следующие задачи:

1. Выполнено исследование и проведен анализ особенностей реализации газодизельного цикла применительно к тепловозным силовым установкам.

2. Предложена уточненная математическая модель расчета показателей работы тепловозной силовой установки при переводе ее на газодизельный цикл работы.

3. Выполнен расчет определения диапазона изменения сечения дроссельной заслонки, при котором обеспечивается устойчивая работа силовой установки.

4. Определено количество работающих цилиндров, при котором обеспечивается устойчивая работа силовой установки под нагрузкой.

5. Разработан алгоритм управления сечением дроссельной заслонки и количеством работающих цилиндров силовой установки локомотива.

6. Выполнена технико-экономическая оценка эффективности внедрения результатов работы.

Направление работы

Диссертационная работа соответствует п.1 в части «Эксплуатационные характеристики и параметры подвижного состава»; п. 4 в части «Совершенствование подвижного состава, включая тяговый привод и энергетические установки автономных локомотивов»; п. 15 в части «Испытания подвижного состава» Паспорта специальности 2.9.3 «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация».

Научная новизна

1. Предложена уточненная математическая модель рабочего процесса тепловозного двигателя при работе его по газодизельному циклу с дросселированием воздуха на входе в впускной коллектор и отключением части цилиндров.

2. Разработан алгоритм управления сечением дроссельной заслонки и количеством работающих цилиндров силовой установки локомотива, позволяющий в автоматическом режиме обеспечивать стабильное воспламенение топлива в цилиндрах.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Уточнение математической модели рабочего процесса тепловозного газодизеля позволяет определить параметры рабочего тела при реализации газодизельного цикла во всем диапазоне рабочих режимов в зависимости от сечения дроссельной заслонки и количества работающих цилиндров.

2. Применение полученных в ходе исследования результатов позволит обеспечить работу силовой установки тепловоза по газодизельному циклу по всей тепловозной характеристике, увеличить среднюю степень замещения дизельного топлива природным газом, улучшить экологические показатели работы силовой установки и, как следствие, снизить расходы на ТЭР.

3. Результаты исследования применены в организациях по проектированию, изготовлению и эксплуатации транспортных средств и используются в учебном процессе профильных ВУЗов.

Методология и методы исследования

При проведении диссертационного исследования использованы следующие методы исследования:

- анализ и обобщение материалов научной литературы;

- методы математического моделирования показателей работы силовой установки.

Результаты теоретических исследований сопоставлялись с результатами

испытаний силовой установки и локомотива при проведении стендовых и реостатных испытаний соответственно.

Положения, выносимые на защиту

1. Уточненная математическая модель рабочего процесса тепловозного дизеля при переводе его на газодизельный цикл.

2. Граничные условия для обеспечения воспламенения газового топлива на режимах холостого хода и малых нагрузок путем дросселирования части рабочего тела в впускном коллекторе и отключения части цилиндров.

3. Алгоритм управления сечением дроссельной заслонки и количеством работающих цилиндров силовой установки тепловоза.

Степень достоверности

Степень достоверности расчетных исследований подтверждается удовлетворительным совпадением экспериментальных и расчетных данных, при этом максимальное отклонение мощности и расхода топлива при моделировании составило не более 1 %.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности работы тепловозного газодизеля путем регулирования соотношения воздуха и топлива в цилиндрах»

Апробация работы

Основные положения диссертационного исследования докладывались и обсуждались на:

- III Международной научно-практической конференции «Транспорт. Газомоторное топливо (Проблемы. Решения. Перспективы)» в ФГБОУ ВО «Самарский государственный университет путей сообщения» в 2019г.

- VII-й международной научно-технической конференции. «Локомотивы. Электрический транспорт. XXI век» в ФГБОУ ВО «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» в 2020г.

Результаты диссертационного исследования обсуждались на заседаниях Научно-технического совета отделения «Тяговый подвижной состав» в 20182020 гг. и научного центра «Тяга поездов» АО «ВНИИЖТ» в 2021-2022 гг.

Публикации

По результатам диссертационного исследования опубликовано 9 печатных работ, в том числе три статьи в журналах из перечня рецензируемых изданий ВАК при Минобрнауки России: «Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта», «Вестник транспорта Поволжья», а также одна статья в журнале, входящем в издания, индексируемые SCOPUS: «Russian Electrical Engineering».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 64 наименований и содержит 108 страниц основного текста, 28 рисунков и 39 таблиц.

1.1 Отечественный и зарубежный опыт применения природного газа в качестве топлива на локомотивах

Вопрос перевода техники на газомоторное топливо в Российской Федерации и за рубежом поднимается с середины XX века. Преимуществами данного перехода являются снижение количества вредных выбросов в атмосферу и более низкая стоимость топлива. В этом плане показательным является пример успешной эксплуатации первых газотурбовозов, в качестве топлива для которых использовалось более дешевый мазут, что позволило сохранить конкурентоспособность и обеспечить снижение расходов на ТЭР по сравнению с дизельным топливом.

При использовании природного газа вместо дизельного топлива снижаются выбросы диоксида и оксида углерода и оксида азота - в 1,5 - 2 раза, дисперсных частиц - в 3 - 6 раз, вредность отработавших газов при работе двигателей, работающих на метане, для здоровья человека ниже на 60%, чем при работе двигателей на нефтяном топливе [1].

Стоимость газомоторного топлива для железнодорожного транспорта в Российской Федерации установлена на уровне 50% от стоимости дизельного топлива с целью сохранения конкурентоспособности и снижения себестоимости перевозок по сравнению с традиционными видами топлив [2].

Актуальность и высокий потенциал применения природного газа в качестве моторного топлива неоднократно отмечались при работе программных комитетов и заседаний на производственных площадках, в том числе участниками рабочей группы по вопросам использования природного газа в качестве моторного топлива при Правительственной комиссии по вопросам развития топливно-энергетического комплекса [3], а также учтены в проекте государственной программы «Расширение использования природного газа в качестве моторного топлива на транспорте и

В Российской Федерации имеется уникальный опыт создания и эксплуатации магистральных и маневровых локомотивов для работы на сжатом (КПГ) и сжиженном (СПГ) природном газе.

Работы по переводу тепловозов на природный газ в качестве моторного топлива ведутся в АО «ВНИИЖТ» (ранее - ФГУП ВНИИЖТ, ЦНИИ МПС) с конца 1990-х годов. В рамках этих работ на Луганском тепловозостроительном заводе были изготовлены 3 опытных магистральных газотепловоза, работающих по газодизельному циклу: 2ТЭ116Г №0001 (1987г.) и 2ТЭ10Г №«№0001, 0002 (1988г.). Локомотивы имели двухсекционное исполнение, как и дизельные тепловозы этих серий, но между ними находилась секция с двумя криогенными емкостями производства ООО «Криогенмаш». В качестве топлива использовался сжиженный природный газ. На данных тепловозах максимально размещалось 17 т газа, из которых 3 т являются техническими и необходимы для поддержания требуемой температуры.

В дальнейшем на испытательных мощностях АО «ВНИИЖТ», АО «ВНИКТИ» (ранее ФГУП ВНИКТИ, ВНИТИ) и АО «Коломенский завод» (ранее Коломенский завод им. В.В. Куйбышева) проводилась доводка тепловоза серии 2ТЭ116Г, оборудованного газодизельной силовой установкой 1ГДГ (16ЧН26/26) мощностью 2200 кВт. Структурная схема данного двигателя представлена на рисунке 1. Результаты реостатных испытаний показали, что локомотив имел полную мощность заметно меньшую требуемой, а также большую инерционность газоводяного теплообменника [4]. Технический уровень развития техники на тот период и низкая топливная экономичность не позволили этому проекту перейти к стадии серийного выпуска.

Следующим этапом развития газотепловозного локомотивостроения явилось конвертирование на газодизельный цикл тепловозов серии ТЭ10.

Рисунок 1 - Структурная схема газодизеля 1ГДГ с индивидуальным

дозированием газа по цилиндрам

Изготовление двух газотепловозов 2ТЭ10 с различными типами силовых установок выполнялось с целью выбора наиболее привлекательного как с технической, так и с экономической точки зрения решения. На одном локомотиве планировали установить двигатель 10ГД100А (10ДН20,7/2х25,4), работающий исключительно на природном газе с форкамерно-факельным смесеобразованием и электрическим зажиганием, а на второй — 10ГД100Б (10ДН20,7/2х25,4), работающий по газодизельному циклу. Технические характеристики данных двигателей приведены в таблице 1 [5].

Результаты испытаний макетного образца 10ГД100А показали повышенный на 12-15% по сравнению с 10Д100 удельный расход условного топлива на номинальной мощности, а также неустойчивую работу в переходных процессах, связанную с системой зажигания.

Повышенный удельный расход условного топлива оказался и у 10ГД100Б на 5-6% в диапазоне частот вращения 490-850 об/мин. Устойчивая работа на полной мощности обеспечивалась лишь при повышении запальной порции дизельного топлива до уровня 24-26%. При переводе на работу по дизельному циклу без изменения регулировок максимальная мощность составила 1510 кВт при частоте вращения коленчатого вала 720 мин-1, а также снижалась экономичность работы силовой установки.

Показатель 10Д100 10ГД100А 10ГД100Б 10ГД100А 10ГД100Б 10ГД100Б 10ГД100Б

Модификация дизельный газовый газодизельный газовый газодизельный конвертируемый на дизельное топливо газодизельный

Документы, этапы испытаний ТУ-3-902-75 ТУ 10ГД100ТУ Макетный образец Опытный образец

Мощность, кВт 2206

Частота вращения коленчатого вала, об/мин 850

Давление наддува, МПа 0,215 - - 0,2190,223 0,209 0,222 0,201

Степень сжатия 13,7 - - 11,2 11,6

Температура выпускных газов по цилиндрам, °С не более 420 385 390 415

Максимальное давление сгорания, МПа 10,5 8,8-10,4 9,1 10,0 8,8

Расход дизельного топлива, кг/ч 479-505 - 50,74-66,18 - 68 501 124,2

Расход газа, кг/ч - 432-450 375-395 470-488 357 - 355,2

Удельные эффективные расходы, г/кВт-ч: -дизельного топлива -газа 217-229 196-204 20-30 170-179 213-221 31 162 227 56,3 161

Доля дизельного топлива, % 100 - не более 15 - 15,5 100 23,2

Эффективный КПД 38,8-36,8 38,5-37,0 39,6-36,6 34,3-32,8 37,9 37,1 34,7

ю

Результаты стендовых испытаний форкамерных двигателей позволили заключить, что система электрозажигания БТС-2М, применяемая на серийных газовых двигателях 11ГД100, не обеспечивает устойчивую работу двигателя 10ГД100А. Поэтому оба локомотива оборудовали силовыми установками 10ГД100Б. Многочисленные неисправности и низкая эффективность рабоыт на ключевых режимах не позволили проекту выйти на стадию серийного производства.

Работы по использованию КПГ проводились с 1986г. на базе серийных тепловозов ТЭМ2У и ЧМЭ3, на которых отрабатывались основные технические решения. В период с 1997 г. по 1998 г. были изготовлены два газотепловоза ТЭМ18Г, оборудованные газодизель-генераторами ГДГ-50, схема которого приведена на рисунке 2, мощностью 882 кВт производства АО «Пензадизельмаш». Показатели работы силовой установки ГДГ-50 по результатам испытаний представлены в таблице 2 [6]. Расходы топлива приведены к теплотворной способности дизельного топлива.

Локомотивы ТЭМ18Г после проведения доводочных испытаний на экспериментальном кольце АО «ВНИИЖТ» были направлены в опытную эксплуатацию на Октябрьскую и Московскую железные дороги.

Таблица 2 - Показатели работы силовой установки ГДГ-50 [6]

№ п/п Показатель работы Значение показателя

1 Позиция контроллера машиниста 8 7 6 5 4

2 Частота вращения коленчатого вала, мин-1 753 680 586 492 403

3 Эффективная мощность дизеля, кВт 880,2 726,2 573,6 396,6 263,3

4 Часовой расход газа, кг/ч 147,8 120,0 92,8 62,6 45,4

5 Часовой расход дизельного топлива, кг/ч 31,5 22,8 17,1 14,1 8,5

6 Запальная порция дизельного топлива, % 15,8 14,3 13,9 16,5 14,1

7 Расход эквивалентного топлива, кг/ч 200,2 160,1 122,9 85,5 80,3

8 Удельный расход условного топлива, г/кВт-ч 227,4 220,0 214,3 215,5 224,6

1 - предохранительный клапан; 2 - газовые балоны; 3 - отсечные клапаны; 4 - угловой манометр; 5 - манометр высокого давления; 6 - вентиль проходной; 7 - сливной вентиль; 8 - дроссельное отверстие; 9 - газовый фильтр; 10 - обратный клапан; 11 - запорный вентиль; 12 - заправочный штуцер; 13,22 - электромагнитные вентили; 14 - редуктор давления первой ступени;

15 - предохранительный клапан; 16,19 - водяные нагреватели; 17,20,25 - термометры; 18 - редуктор второй ступени понижения давления; 21,26,27 - датчики-реле давления; 23 - регулятор третьей ступени понижения давления; 24 - индикатор давления; 28 - управляющий регулятор; 29 - датчики реле температуры; 30 - газодизель; 31 - электромагнитные вентили.

Рисунок 2 - Схема системы подачи газа в газодизель ГДГ-50 на тепловозе

ТЭМ18Г

Работа газотепловозов ТЭМ18Г по газодизельному циклу осуществлялась с четвертой позиции контроллера машиниста. Средняя степень замещения дизельного топлива составляла 35-50%, что позволяло экономить 17-25% расходов на топливо [7]. На номинальной мощности удельный расход условного топлива снизился на 3-5%, а количество вредных выбросов снизилось на 35-50% [6].

На ТЭМ18Г №0001 механические клапаны подачи газа приводились в движение распределительным валом дизеля, а на ТЭМ18Г № 0002 (рисунок 3) — были установлены электромагнитные клапаны, управление которыми осуществляется микропроцессорной системой. Механические газовые клапаны имели достаточно большое проходное сечение, обеспечивающие часовой расход газа до 180 кг/ч. Недостатком является невозможность индивидуального регулирования углов подачи топлива в зависимости от позиции контроллера машиниста.

Рисунок 3 - ТЭМ18Г №0002 на ЭК АО «ВНИИЖТ»

На тепловозе ТЭМ18-0002 установлено два электромагнитных клапана на каждом цилиндре, поскольку установка одного не обеспечивала необходимый расход газа из-за малого проходного сечения.

Для оценки работоспособности различных вариантов исполнения клапанов подачи газотепловоз ЧМЭ3Г №1994 (рисунок 4) был оборудован пневмоклапанами совместно с пилотными электромагнитными клапанами. Пилотные клапаны, управляемые электрическими импульсами, открывают при помощи сжатого воздуха пневмоклапаны, через которые газ попадает в цилиндры дизеля [8].

Пневмоклапаны обладают достаточным проходным сечением для возможности установки по одному пневмоклапану на каждый цилиндр. Однако работа пневмоклапанов характеризуется низким быстродействием (на 40% ниже чем у электромагнитных клапанов). Данный недостаток был скомпенсирован установкой более ранних углов открытия и закрытия клапанов.

Рисунок 4 - Маневровый тепловоз ЧМЭ3Г №1994

Для решения проблемы подачи малых запальных порций дизельного топлива и тем самым увеличения средней степени замещения дизельного топлива локомотив оборудовали специализированными охлаждаемыми распылителями. Применение данных распылителей совместно с электронно-управляемой системой подачи позволило обеспечить стабильную подачу запальной порции дизельного топлива начиная со 2 позиции контроллера машиниста. При цикловой подаче менее 0,1 г/цикл и снижении частоты вращения коленчатого вала дизеля менее 360 об/мин наблюдалась неравномерная подача топлива, а в некоторых случая пропуск циклов, что приводило к отсутствию сгорания природного газа. Охлаждаемый распылитель форсунки, применяемый на газотепловозе ЧМЭ3Г, представлен на рисунке 5.

1 - канал подвода топлива; 2 - корпус распылителя; 3 - пружина;

4 - клапан; 5 - проставка; 6 - кольцо стопорное; 7 канал подвода охлаждающей жидкости (топлива); 8 - камера охлаждения иглы; 9 -распыливающие отверстия; 10 - игла распылителя; а - запирающее устройство.

Рисунок 5 - Охлаждаемый распылитель 3ВД 1998 - 20.04СБ

Запирающее устройство (рисунок 5) не позволяет топливу, вытесняемому иглой распылителя 10, перетекать в обратном направлении по каналу 1. Данное решение позволило увеличить давление вспрыскиваемого топлива, а также стабилизировать подачу на низких нагрузках работы двигателя.

В данной конфигурации в феврале 2011 г. в опытную эксплуатацию на Московскую железную дорогу был передан газодизельный маневровый локомотив ЧМЭ3Г.

Одновременно с работами на поршневых двигателях проводились опытно -конструкторские работы по газотурбинным двигателям. В 2006 году был построен макетный образец газотурбовоза ТГЭМ10 с газотурбинным двигателем ГТД-1000 с мощностью 1000 кВт на базе тепловоза ТЭМ2. Проект маневрового газотурбовоза разрабатывался в ФГУП «ВНИИЖТ». Газотурбинный двигатель имел модуль рекуперации теплоты отработанных газов, который позволял достигать значений КПД 40-42%, что в 1,5 раза выше чем у газотурбинных двигателей без рекуперации. Для обеспечения безэкипировочной работы в течение 7 дней, потребовалось использовать бустерную секцию с 48 баллонами метана, в которых находилось 3 т [9].

В 2007 году на базе электровоза ВЛ10 был изготовлен магистральный газотурбинный локомотив ГТ1, в дальнейшем в 2012 году он был модернизирован и получил индекс «И». В качестве силовой установки на ГТ1 был установлен газотурбинный двигатель НК-361. Следующий газотурбовоз данной серии, выпущенный в 2013 году, получил модернизированное оборудование и экипажную часть от ТЭМ7А. ГТ1И №002 предназначен для ведения поездов до 9000 тонн. Мощность силовой установки составляет 8500 кВт, а запас СПГ — 20 тонн.

К преимуществам данного газотурбовоза можно отнести [10]:

- высокую мощность и длительный бездозаправочнй пробег. Локомотив может вести поезда весом до 9000 тонн на расстояние до 700 км без дозаправки;

- снижение затрат на топливно-энергетические ресурсы;

- снижение потребного количества магистральных локомотивах, связанное с большой мощностью локомотива (газотурбовоз может заменить 2 локомотива 2ТЭ116).

- улучшение экологичности работы силовой установки по сравнению с тепловозами.

Главным и снижающим спрос недостатком газотурбовозов является низкий КПД на частичных нагрузках из-за ограничения температуры газов перед турбиной

по условию жаростойкости материала лопаток турбины и резкого увеличения расхода топлива по сравнению с номинальным режимом работы.

Результаты эксплуатационных испытаний газотепловозов TTlh №002 по сравнению с тепловозами 2ТЭ116 показали:

- снижение на 30% удельных расходов на перевозку одной тонны груза;

- снижение расхода топлива на 35%;

- снижение стоимости жизненного цикла на 19,4%

В 2013 году ОАО «БМЗ» совместно с ОАО «ВНИТИ» изготовил тепловоз ТЭМ19 с газопоршневым двигателем, работающим на сжиженном природном газе, испытания которого завершились в 2016 году. Результаты опытной эксплуатации на Свердловской железной дороге в сравнении с тепловозами ТЭМ18ДМ показали:

- снижение удельного расхода топлива до 26%;

- снижение стоимости жизненного цикла на 5,7%.

Холдинг «Синара - Транспортные машины» в рамках договора с ООО «Газпромтранс» намерен представить опытные образцы новых локомотивов: маневрового газотепловоза ТЭМ1Г и газотурбовоза ГТЭМ1. Планируется, что оба локомотива будут оборудованы двумя силовыми установками, работающими на сжиженном природном газе. Такое техническое решение позволит существенно улучшить экологические показатели и экономичность работы предлагаемой новой техники.

За рубежом также отмечены успешные попытки создания транспортной техники, использующей в качестве топлива газ. В 1992-1994 гг. в США перевели на газодизельный цикл магистральный локомотив SD40-2 и два маневровых локомотива MK1200G.

Магистральный газотепловоз SD40-2 был оборудован двигателем производства General Motors мощностью 2400 кВт. Сжиженный природный газ в количестве 30 т хранился в цистерне, прицепленной к локомотиву. Подача запальной порции дизельного топлива осуществляется через серийную форсунку, подача газа — через электронно-управляемый клапан, встроенный в крышку цилиндра. Поскольку газ подавался непосредственно в камеру сгорания, для

обеспечения качественного смесеобразования пришлось изменить форму и объем камеры сгорания. Данное техническое решение привело к снижению степени сжатия и, как следствие, увеличению удельного расхода топлива. Минимальная запальная порция дизельного топлива составляла 8%. Особенностью данного локомотива было применение природного газа для охлаждения наддувочного воздуха.

Маневровый локомотив MK1200G имел газовый двигатель G3516 SITA V16 с искровым зажиганием и три емкости общей вместимостью 2 т сжиженного природного газа. Номинальная мощность газового двигателя оказалась ниже, чем у дизельной версии двигателя и составляла 1000 кВт.

Обобщенная информация о локомотивах отечественного и зарубежного производства, использующих природный газ в качестве газомоторного топлива представлены в таблицах 3,4 [11, 12].

Таблица 3 - Магистральные локомотивы, использующие природный газ в качестве газомоторного топлива

Обозначение локомотива ГТ1 rT1h 2ТЭ116Г Dash 8 ЗВ С30-7 SD40-2 SD70M-2 LNG ES44AC

Страна-производитель Россия Россия Россия Перу Перу Канада Канада США

Осевая формула 2(2о+2о +2о) 2(2о+2о -2о+2о) 2(Зо+Зо) 2о+2о Зо+Зо Зо+Зо Зо+Зо Зо+Зо

Мощность, кВт 8300 8500 4500 5820 5369 5369 6400 6560

Количество секций 2 2 3 3 3 3 3 3

Масса локомотива, тонн 300 360 364 250+вес тендера 336+вес тендера 338+вес тендера 354+вес тендера 392+вес тендера

Количество природного газа, кг 17000 20000 17000 - - - - -

Используемое топливо СПГ СПГ СПГ КПГ КПГ СПГ СПГ СПГ

Год постройки 2007 2013 1987 2005 2002 2012 2014 2013

Количество локомотивов 1 1 1 2 5 2 2 1

Обозначение локомотива MK1200G ТЭМ18Г ЧМЭЗГ ТЭМ 19 GP38-2, Ш SW 1500 SW 3000

Страна-производитель США Россия Россия Россия США США США

Осевая формула 2о +2о Зо +Зо Зо +Зо Зо +Зо 2о +2о 2о +2о 2о +2о

Мощность, кВт 895 880 993 1000 1491 1119 2238

Количество секций 1 1 1 1 2 1 1

Вес локомотива, тонн 113.4 126 126 126 113.4 112.5 111

Количество природного газа, кг 5300 600 800 5000 3875 1642,7 1642,7

Используемое топливо СПГ КПГ КПГ СПГ КПГ КПГ КПГ

Год постройки 1994 1997-1998 2004 2013 2014 20142017 20142017

Количество локомотивов 1 2 1 1 1 21 10

1.2 Анализ способов организации рабочего процесса газодизелей

транспортных средств

Основное различие процессов сгорания в газодизельном и дизельном циклах связано с различием температур самовоспламенения сравниваемых топлив - у дизельного топлива 230-300 °С (в зависимости от марки топлива), а у природного газа (метана) 540 °С. Поэтому для воспламенения газа в газодизельном цикле требуется дополнительный источник высокой температуры. Таким источником является запальная порция дизельного топлива в газовоздушной смеси цилиндра двигателя.

Известны два способа подготовки газовоздушной смеси для газодизельного двигателя (по отношению к камере сгорания дизеля) - внешний и внутренний, их схемы приведены на рисунке 6.

а) схема внешнего смесеобразования

б) схема внутреннего смесеобразования

1 - втулка цилиндра; 2 - крышка цилиндра; 3 - газовый клапан; 4 - смеситель; 5 - впускной клапан; 7 - выпускной клапан; 6 - форсунка дизельная; 8 - форсунка

газовая.

Рисунок 6 - Схемы внешнего а) и внутреннего б) способов подготовки газовоздушной смеси для газодизельного двигателя

Классификация и особенности способов подготовки газовоздушной смеси для газодизельного двигателя приведена в таблице 5.

смеси [13]

Характеристики Способ смесеобразования газа и воздуха

способа подготовки (по отношению к камере сгорания дизеля)

смеси Внешний Внутренний

Простота конструкции да нет

Установка в крышках смеситель около впуск- газовая форсунка

дополни- цилиндров ного клапана

тельного в системе регуляторы низкого дав- компрессоры высокого

оборудо- газоподачи ления газа на каждой давления газа для пода-

вания позиции контроллера чи в цилиндр

клапаны подачи газа в форсунки впрыска газа в

ресивер для каждого каждый цилиндр дизеля

цилиндра дизеля

Показатели смесеоб- удовлетворительное, удовлетворительное,

процесса в разования недостатки: объем воздуха достато-

цилиндре - меньше объем воздуха чен для сгорания топлива

и дизеле для сгорания топлива; - после закрытия впускного клапана газ, оставшийся в смесителе попадает в воздушный ресивер

сгорания - ниже индикаторный кпд и мощность; - выше удельный расход топлива, температура газа - выше температура газа, тепловые и механические нагрузки дизеля, удельный расход топлива; - возможно реализовать полную мощность

экологи- - ниже выбросы СО, SO2 и - ниже выбросы СО, SO2 и

ческие дымность газа; дымность газа;

параметры - выше выбросы СН4 и элементов присадок масла - выше выбросы элементов присадок масла

Внешний способ смесеобразования характеризуется простотой конструкции, применением в системе газоподачи регуляторов низкого давления газа, удовлетворительными показателями смесеобразования. Недостатки этого способа связаны с меньшим объемом воздуха для сгорания в цилиндре, меньше индикаторный КПД и мощность, выше удельный расход топлива и температура газа.

Преимуществом внутреннего способа смесеобразования смеси является сохранение в цилиндре полного объема воздуха для сгорания газа, что позволяет реализовать полную мощность дизеля. Не решены вопросы обеспечения стабильной подачи в цилиндр полной цикловой порции газа и организации смесеобразования.

1.3 Анализ возможностей и сдерживающих факторов массового перевода силовых установок тепловозов на газодизельный цикл

Локомотивный парк тепловозов ежегодно выбрасывает в атмосферу большое количество вредных веществ, пагубно влияющих на экологию. Применение природного газа взамен дизельного топлива позволяет снизить количество оксида углерода, выбрасываемого в атмосферу примерно в 2-3 раза, углеводорода — в 3 раза, кроме того избавляет от сажи [14]. Природный газ по экологическим показателям уступает лишь водородному топливу и накопителям энергии, однако данные решения более сложны в реализации и требуют более существенных затрат прежде всего в инфраструктуре.

Согласно указу президента РФ от 07.05.2018 №204 «О национальных целях и стратегических задачах развития Российской Федерации до 2024 года» предусмотрено существенное снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу в крупных промышленных центрах, в том числе уменьшение не менее чем на 20% объема вредных веществ в крупных городах [3]. Для реализации данного положения на федеральном уровне будут ужесточаться требования к экологическим показателям техники и оборудованию, в том числе и к тяговому подвижному составу. Кроме того, согласно распоряжению ОАО «РЖД» от 12 мая 2014 года №1143 «Об утверждении экологической стратегии ОАО "РЖД" на период до 2017 года и на перспективу до 2030 года» планируется ужесточить экологические требования к подвижному составу.

При явных преимуществах газа как топлива массовому переводу тепловозов на газодизельный цикл препятствуют:

- отсутствие заправочной инфраструктуры. В настоящее время под заправку локомотивов оборудована лишь 1 станция (ГРС №4 г. Екатеринбург). Решением может быть создание малотоннажных производств сжиженного природного газа, оборудованных под экипировку локомотивов, в местах эксплуатации тепловозов, работающих по газодизельному циклу.

- недостаточная средняя доля замещения дизельного топлива, обусловленная невозможностью обеспечения устойчивой работы двигателя по газодизельному циклу на низких нагрузках.

- существующая позиция ОАО «РЖД» о сохранении штатной топливной аппаратуры при переходе на газодизельный режим [15].

Повышение средней доли замещения дизельного топлива природным газом сдерживается существующими техническими требованиями на газодизельные двигатели, в той части, которая обязывает обеспечить мгновенный переход с дизельного на газодизельный цикл и обратно. Для этого предлагается оставить штатные форсунки, у которых минимальная подача запальной порции дизельного топлива без применения прочих технических решений позволит обеспечить лишь долю замещения не более 50-60%. Снижение минимальной подачи дизельного топливо и увеличения доли замещения дизельного топлива до 80-90% возможно путем применения специализированных форсунок или распылителей [16] с уменьшенным сечением отверстий распылителя или двухрежимных форсунок. Стоит отметить, что переход с газодизельного на дизельный цикл без применения прочих технических решений будет подразумевать замену специальных форсунок или распылителей на штатные, поскольку иначе снижается мощность дизель-генераторной установки. Еще одним путем решения данной проблемы является установка двух комплектов форсунок на каждый цилиндр аналогично техническому решению МАДИ для грузовиков, но в этом случае вдвое возрастает стоимость топливной аппаратуры и снижается надежность работы двигателя в целом.

Проблема обеспечения стабильности воспламенения газовоздушной смеси без применения отдельной системы зажигания на позициях контроллера машиниста ниже 4 существует и остается актуальной на текущей день. Проблему можно разделить на две составляющие: несоблюдение требуемого соотношения топлива и воздуха в цилиндрах и отсутствие стабильной подачи запальной порции дизельного топлива.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Журавлев Андрей Николаевич, 2022 год

Температура

11 в цилиндре в конце расширения К 504,66 518,57 547,05 568,35 690,43

12 Температура в выпускном коллекторе К 402,736 413,530 431,757 458,481 558,180

Объемная

13 концентрация смеси % 1,63 1,72 1,92 2,07 2,76

14 Коэффициент избытка

воздуха 6,27 5,91 5,28 4,90 3,64

Проведен расчет расхода условного топлива в зависимости от условного сечения клапанов при продувке, а также сечения дроссельной заслонки при разном количестве работающих цилиндров. Пересчет натурального топлива в условное производился в соответствии с ГОСТ Р 55007 [59].

В таблицах 20-22 представлен расход условного топлива при числе работающих цилиндров от 6 до 4.

Таблица 20 - Расход условного топлива при 6 работающих цилиндрах

Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

к ср « 5 о я <ч £ и 2 е я -к 2 <и <и а и я ч ^ « и п § § а 0,0011 8,486 8,854 9,342 10,044 10,524

0,0010 8,531 8,914 9,430 10,172 10,676

0,0008 8,634 9,042 9,631 10,429 10,981

0,0006 9,487 9,182 9,827 10,721 11,306

0,0004 10,231 9,333 10,044 11,056 11,650

(и о 0,0002 10,231 9,861 10,282 11,424 12,057

0,0001 10,231 10,231 10,409 11,645 12,259

Таблица 21 — Расход условного топлива при 5 работающих цилиндрах

Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

к ср и н о м <4 £ 3 - К 2 <и <и а и ч й и « м ^ § § а 0,0011 8,330 8,696 9,184 9,870 10,062

0,0010 8,375 8,756 9,286 9,991 10,205

0,0008 8,479 8,882 9,462 10,244 10,514

0,0006 9,409 9,020 9,654 10,477 10,851

0,0004 10,231 9,169 9,865 10,711 11,211

(и о 0,0002 10,231 9,902 10,097 10,980 11,586

0,0001 10,231 10,231 10,220 11,115 11,783

Таблица 22 — Расход условного топлива при 4 работающих цилиндрах

Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Эквивалентное сечение клапанов при продувке, м2 0,0011 8,174 8,538 9,020 9,407 9,590

0,0010 8,219 8,596 9,121 9,493 9,726

0,0008 8,325 8,721 9,293 9,675 10,021

0,0006 9,572 8,857 9,481 9,876 10,344

0,0004 10,231 9,004 9,643 10,098 10,465

0,0002 10,231 9,840 9,805 10,340 10,275

0,0001 10,231 10,231 9,891 10,483 10,379

Таблица 23 - Расход условного топлива при 3 работающих цилиндрах

Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

к ср и н о м <4 и 2 2 К £2 <и <и а и ч й и « м ^ § к & 0,0011 8,018 8,259 8,500 8,817 8,285

0,0010 8,063 8,302 8,573 8,900 8,367

0,0008 8,159 8,395 8,698 9,076 8,492

0,0006 9,366 8,493 8,832 9,270 8,657

0,0004 10,231 8,599 8,978 9,487 8,839

& (и о 0,0002 10,231 9,579 9,135 9,729 9,037

0,0001 10,231 10,231 9,219 9,850 9,133

Таблица 24 - Расход условного топлива при 2 работающих цилиндрах

Сечение дроссельной заслонки, м2

0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

к ср и н о м <4 «22 £ 3 - К £3 <и <и а и ч й и « м ^ § к & 0,0011 7,338 7,558 7,841 7,565 7,312

0,001 7,363 7,601 7,913 7,614 7,397

0,0008 7,644 7,692 8,036 7,579 7,577

0,0006 8,619 7,790 8,167 7,681 7,775

0,0004 10,231 7,898 8,276 7,788 8,000

& (и о 0,0002 10,231 9,493 8,178 7,904 8,257

0,0001 10,231 10,231 8,214 7,966 8,391

Как видно из полученных результатов с точки зрения получения наименьшего расхода топлива необходимо обеспечивать достаточную концентрацию воздуха преимущественно за счет изменения сечения дроссельной заслонки. Уменьшение условного сечения клапанов при продувке приводит к увеличению расхода топлива.

С учетом вышесказанного при работе на холостом ходу устойчивая и экономичная работа дизельного двигателя по газодизельному циклу обеспечивается при работе на 2 цилиндрах, сечении дроссельной заслонки 0,0002 м2 и сечении клапанов при продувке 0,0008 м2.

3.4 Обеспечение устойчивой работы силовой установки по газодизельному циклу под нагрузкой

Для определения возможности устойчивой работы под нагрузкой с отключением части цилиндров проведены расчеты показателей работы силовой установки при переводе ее на газодизельный цикл. Определены диапазоны отключения части цилиндров для каждой позиции контроллера машиниста, при которых температуры рабочего тела не превышают допустимых значений, указанных в руководстве по эксплуатации дизель-генератора 1-ПДГ4Д [24]. Зависимости температур рабочего тела от количества работающих цилиндров на 1 ПКМ представлены на рисунках 19, 20.

Количество работающих цилиндров

• Температура рабочего тела за выпускными клапанами работающих цилиндров _ _ Ограничение по температуре рабочего тела за выпускными клапанами работающих цилиндров

900

800

300

2 3 4 5 6

Количество работающих цилиндров

• Температура рабочего тела перед турбиной _ _ Ограничение по температуре рабочего тела перед турбиной

Рисунок 20 - Зависимость температуры рабочего тела перед турбиной от количества работающих цилиндров при работе на 1ПКМ

Зависимости температур рабочего тела от количества работающих цилиндров на 2 ПКМ представлены на рисунках 21, 22.

Количество работающих цилиндров

• Температура рабочего тела за выпускными клапанами работающих цилиндров _ _ Ограничение по температуре рабочего тела за выпускными клапанами работающих цилиндров

Рисунок 21 - Зависимость температуры рабочего тела за выпускными клапанами от количества работающих цилиндров при работе на 2ПКМ

900

400

300

3

4

5

Количество работающих цилиндров

• Температура рабочего тела перед турбиной _ _ Ограничение по температуре рабочего тела перед турбиной

Рисунок 22 - Зависимость температуры рабочего тела перед турбиной от количества работающих цилиндров при работе на 2ПКМ

Зависимости температур рабочего тела от количества работающих цилиндров на 3 ПКМ представлены на рисунках 23, 24.

К р

т

а р

е

е

Н

2600 2400 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 0

23456

Количество работающих цилиндров

• Температура рабочего тела за выпускными клапанами работающих цилиндров _ _ Ограничение по температуре рабочего тела за выпускными клапанами работающих цилиндров

2

6

400 300

2 3 4 5 6

Количество работающих цилиндров

• Температура рабочего тела перед турбиной _ _ Ограничение по температуре рабочего тела перед турбиной

Рисунок 24 - Зависимость температуры рабочего тела перед турбиной от количества работающих цилиндров при работе на 3ПКМ

Как видно из рисунков 19-24 диапазон количества работающих цилиндров, при котором возможна работа силовой установки 1-ПД4Д под нагрузкой, уже, чем на холостом ходу. Это объясняется большей подачей топлива. При работе на 1 ПКМ работа возможна в диапазоне 2-6 цилиндров, на 2 ПКМ — 3-6 цилиндров, на 3 ПКМ — 4-6 цилиндров.

В таблице 25 приведена объемная концентрация газа при работе на 3 ПКМ в зависимости от сечения дроссельной заслонки и сечения клапанов при продувке.

Таблица 25 - Объемная концентрация газа при работе на 3 ПКМ

Количество работающих цилиндров Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Сечение клапанов при продувке, м м2 0,0011 6 3,211 3,475 3,894 - -

0,0008 3,170 3,429 3,844 - -

0,0006 3,143 3,397 3,817 - -

0,0004 3,116 3,328 3,775 - -

0,0002 3,087 3,331 3,734 - -

0,0011 5 3,796 4,161 - - -

0,0008 3,740 4,070 - - -

0,0006 3,709 4,015 - - -

0,0004 3,673 3,981 - - -

0,0002 3,644 3,947 - - -

В таблице 26 приведен расход условного топлива при работе на 3 ПКМ в зависимости от сечения дроссельной заслонки и сечения клапанов при продувке.

Таблица 26 - Расход условного топлива при работе на 3 ПКМ

Количество работающих цилиндров Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Сечение клапанов при продувке, м2 0,0011 6 55,157 55,255 55,582 - -

0,0008 55,399 55,536 55,883 - -

0,0006 55,570 55,735 56,131 - -

0,0004 55,753 55,951 56,394 - -

0,0002 55,942 56,171 56,683 - -

0,0011 5 54,651 55,463 - - -

0,0008 54,834 55,429 - - -

0,0006 54,978 55,501 - - -

0,0004 55,118 55,615 - - -

0,0002 55,282 55,787 - - -

В таблице 27 приведена объемная концентрация газа при работе на 2 ПКМ в зависимости от сечения дроссельной заслонки и сечения клапанов при продувке.

Таблица 27 - Объемная концентрация газа при работе на 2 ПКМ

Количество работающих цилиндров Сечение дроссельной заслонки, м2

0,001 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Сечение клапанов при продувке, м2 0,0011 6 2,485 2,646 2,910 3,468 -

0,0008 2,464 2,625 2,893 3,409 -

0,0006 2,452 2,608 2,880 3,420 -

0,0004 2,439 2,598 2,865 3,416 -

0,0002 2,428 2,557 2,848 3,397 -

0,0011 5 2,861 3,073 3,422 - -

0,0008 2,846 3,047 3,386 4,054 -

0,0006 2,831 3,033 3,356 4,068 -

0,0004 2,816 3,019 3,361 4,051 -

0,0002 2,798 3,002 3,338 4,026 -

0,0011 4 3,487 3,756 - - -

0,0008 3,455 3,722 4,228 - -

0,0006 3,436 3,689 4,186 - -

0,0004 3,413 3,674 4,173 - -

0,0002 3,402 3,667 4,135 - -

В таблице 28 приведен расход условного топлива при работе на 2 ПКМ в зависимости от сечения дроссельной заслонки и сечения клапанов при продувке.

Таблица 28 - Расход условного топлива при работе на 2 ПКМ

Количество работающих цилиндров Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Сечение клапанов при продувке, мА2 0,0011 6 39,891 39,616 39,362 39,284 -

0,0008 40,136 39,890 39,688 39,703 -

0,0006 40,307 40,087 39,924 40,007 -

0,0004 40,488 40,292 40,173 40,360 -

0,0002 40,674 40,505 40,439 40,725 -

0,0011 5 38,601 38,592 38,686 - -

0,0008 38,803 38,823 38,967 39,618 -

0,0006 38,944 38,993 39,180 39,850

0,0004 39,091 39,172 39,414 40,160 -

0,0002 39,244 39,355 39,645 40,470 -

0,0011 4 37,809 38,040 - - -

0,0008 37,969 38,240 39,191 - -

0,0006 38,086 38,382 39,290 - -

0,0004 38,205 38,536 39,471 - -

0,0002 38,343 38,710 39,591 - -

В таблице 29 приведена объемная концентрация газа при работе на 1 ПКМ в зависимости от сечения дроссельной заслонки и сечения клапанов при продувке.

Таблица 29 - Объемная концентрация газа при работе на 1 ПКМ

Количество работающих цилиндров Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Сечение клапанов при продувке, м2 0,0011 6 1,766 1,897 2,021 2,208 -

0,0008 1,764 1,874 1,991 2,216 -

0,0006 1,763 1,895 2,024 2,224 3,064

0,0004 1,761 1,892 2,025 2,234 3,046

0,0002 1,763 1,875 1,992 2,251 3,132

0,0011 5 1,988 2,014 2,170 2,498 -

0,0008 2,009 2,014 2,176 2,511 -

0,0006 1,995 1,991 2,181 2,523 -

0,0004 1,979 2,019 2,188 2,532 3,569

0,0002 1,981 2,038 2,195 2,560 3,658

0,0011 4 2,194 2,321 2,507 2,970 -

0,0008 2,195 2,321 2,543 2,989 -

0,0006 2,195 2,328 2,554 3,007 -

0,0004 2,197 2,330 2,566 3,011 -

0,0002 2,198 2,340 2,580 3,061 -

0,0011 3 2,704 2,883 3,178 3,828 -

0,0008 2,701 2,899 3,218 3,859 -

0,0006 2,708 2,897 3,234 3,884 -

0,0004 2,712 2,915 3,236 3,885 -

0,0002 2,719 2,923 3,275 3,933 -

0,0011 2 3,858 4,192 - - -

0,0008 3,865 4,227 - - -

0,0006 3,870 4,234 - - -

0,0004 3,876 4,267 - - -

0,0002 3,890 4,292 - - -

В таблице 30 приведен расход условного топлива при работе на 1 ПКМ в зависимости от сечения дроссельной заслонки и сечения клапанов при продувке.

Таблица 30 - Расход условного топлива при работе на 1 ПКМ

Количество работающих цилиндров Сечение дроссельной заслонки, м2

0,0010 0,0008 0,0006 0,0004 0,0002

Сечение клапанов при продувке, м2 0,0011 6 28,489 28,595 27,648 25,551 -

0,0008 28,696 28,850 27,623 25,903 -

0,0006 28,841 29,029 28,161 26,154 25,256

0,0004 28,988 29,213 28,333 26,423 25,731

0,0002 29,157 29,433 27,917 26,697 -

0,0011 5 26,903 25,535 24,987 24,340 -

0,0008 27,352 25,731 25,226 24,669 -

0,0006 27,366 25,865 25,397 24,904 24,778

0,0004 27,260 26,017 25,574 25,157 25,226

0,0002 27,386 26,420 25,761 25,424 25,757

0,0011 4 23,916 23,726 23,535 23,398 -

0,0008 24,063 23,908 23,760 23,717 -

0,0006 24,169 24,030 23,920 23,947 -

0,0004 24,277 24,162 24,090 24,189 -

0,0002 24,390 24,296 24,268 24,465 -

0,0011 3 22,291 22,366 22,524 22,888 -

0,0008 22,423 22,542 22,759 23,210 -

0,0006 22,522 22,656 22,924 23,441 -

0,0004 22,622 22,791 23,088 23,689 -

0,0002 22,731 22,923 23,281 23,960 -

0,0011 2 21,485 21,985 - - -

0,0008 21,622 22,219 - - -

0,0006 21,717 22,353 - - -

0,0004 21,817 22,556 - - -

0,0002 21,935 22,751 - - -

Как видно из результатов расчета минимально допустимая концентрация достигается как при работе на всех цилиндрах с использованием дросселирования,

так и при отключении части цилиндров. Однако топливная экономичность достигается при отключении максимально возможного количества цилиндров и без изменения сечения клапанов при продувке.

3.5 Работа силовой установки при отключении части цилиндров

При работе силовой установки на части цилиндров возникает вибрация и неравномерность вращения коленчатого вала. Снизить влияние крутильных колебаний возможно путем установки демпферов крутильных колебаний силовой установки. Исследования возникающих крутильных колебаний и их влияние на ресурс силовой установки в данной работе не проводились.

Отключение и работа на одних и тех же цилиндрах вызывает неравномерное использование ресурса силовой установки. В следствие чего требуется чередование работающих и отключенных цилиндров.

В штатной топливной системе предусмотрено механическое отключение подачи топлива в цилиндры за счет блокирования хода толкателя. Однако отсутствует возможность чередования отключаемых цилиндров.

Данная проблема решается установкой электронной системы, позволяющей задавать определенную последовательность чередования отключаемых цилиндров для различных режимов работы.

В таблице 31 представлен один из вариантов последовательности работы цилиндров.

Таблица 31 - Последовательность работы цилиндров

№ п/п Количество работающих цилиндров Максимальный интервал между рабочими ходами, градусы поворота коленчатого вала Порядок работы цилиндров

1 6 120 1-3.5.6-4-2

2 5 240 1_5_6-4-2-1

3 4 240 1-5-6-2-1-3

4 3 360 1-5-4-3-6-2

5 2 480 1-6-3-4-5-2

При работе на двух цилиндрах цикловая подача топлива при предложенной очередности включения цилиндров увеличивается в 4 раза по сравнению с цикловой подачей при работе всех цилиндров. Снижение разницы цикловых подач при работе на двух цилиндрах возможно за счет исключения чередования цилиндров, что приведет к неравномерному износу цилиндров, что недопустимо.

Экспериментальные исследования по влиянию отключения подачи топлива в части цилиндров были проведены на силовых установках 1 -ПД4Д тепловоза ТЭМ18ДМ и 1-ПД1М тепловоза ТЭМ2, оборудованных электронной системой управления подачи топлива (ЭСУВТ). Варианты работы дизеля по схеме «3+3» с чередованием работающих и отключенных цилиндров. Результаты испытаний тепловоза ТЭМ2 №6255 представлены в таблице Таблица 32.

Таблица 32 - Результаты испытаний тепловоза ТЭМ2 №6255.

Количество работающих цилиндров Частота вращения коленчатого вала дизеля, мин-1 Работа тормозного компрессора Расход топлива, кг/ч

3 включен 5,85

240 выключен 5,41

6 включен 5,88

выключен 5,37

3 включен 7,29

300 выключен 6,93

6 включен 7,32

выключен 6,91

Исследования показали, что расход топлива на холостом ходу в зависимости от количества цилиндров изменяется незначительно (в пределах погрешности).

Результаты испытаний маневровых тепловозов ТЭМ18ДМ №№881,882,883 при 6 и 3 работающих цилиндрах представлены в Приложении А.

При отключении части цилиндров работа дизеля осуществляется на 1,4,5 цилиндре, либо 2,3,6 цилиндре.

Из результатов испытаний видно, что индикаторная мощность включенных цилиндров возрастает при работе на трех цилиндрах, а также увеличивается продолжительность подачи дизельного топлива. Разность суммарных

индикаторных мощностей цилиндров двигателя при работе на 6 и 3 цилиндрах обуславливается разницей индикаторных КПД. Эффективная мощность двигателя остается постоянной вне зависимости от количества работающих цилиндров.

Полученные закономерности при отключении части цилиндров сохраняются для всех двигателей.

Проверка возможности работы на двух работающих цилиндрах требует дополнительных экспериментальных исследований.

3.6 Разработка алгоритма управления сечением дроссельной заслонки и

количеством работающих цилиндров дизель-генератора тепловоза

Алгоритм предназначен для управления дизель-генератором, оборудованном электронной системой управления подачи топлива и подачей газа (ЭСУВТПГ) производства ООО «ППП Дизельавтоматика» г. Саратов. Базовой электронной системой управления подачи топлива [60, 61, 62] регулируется частота вращения коленчатого вала дизеля локомотива ТЭМ18ДМ путем изменения количества подаваемого топлива. За регулирование мощности силовой установки отвечает микропроцессорная система УСТА.

Дизель-генератор оборудуется управляемой дроссельной заслонкой, регулирующей поступление воздуха в дизель, а система ЭСУВТПГ алгоритмом управления количеством работающих цилиндров и сечением дроссельной заслонки. При работе дизеля ЭСВУТПГ по текущей частоте вращения коленчатого вала, давлению и температуре воздуха во впускном коллекторе рассчитывает минимальную и максимальную цикловую подачу газового топлива, соответствующие минимальному и максимальному допустимым коэффициентам избытка воздуха.

Минимальная и максимальная цикловая подача газа определяется по формулам:

М81

(76)

^цшах ^

М81

——. (77)

• аВКПР

С учетом уточненных значений в разделе 3.1 минимальной допустимой объемной концентрации газа в газовоздушной смеси коэффициент избытка воздуха при работе силовой установки должен быть в диапазоне 0,6-3,4.

Управление производится следующим образом:

а) при сбросе нагрузки генератора:

- снижается цикловая подача газа и запальная порция топлива;

- при достижении цикловой подачи газа ниже дцт;п система отключает цилиндр с целью повышения цикловой подачи свыше дцт;п;

- при достижении цикловой подачи газа ниже дцт;ппри отключении цилиндров, начиная с одного, включается механизм управления дроссельной заслонкой. Сечение в дросселе уменьшается заданным темпом до минимального;

- по мере закрытия заслонки величина минимально допустимой цикловой подачи газа снижается;

- при достижении цикловой подачи газа ниже дцт;п и минимально возможных количества работающих цилиндров и сечения дроссельной заслонки система по упомянутому алгоритму последовательно увеличивает подачу газа в цилиндры до восстановления допустимой подачи газа.

б) при наборе нагрузки генератора:

- увеличивается цикловая подача газа и запальной порции топлива;

- при достижении цикловой подачи газа и запальной порции топлива значения, при котором подключение цилиндра не приведет к снижению цикловой подачи топлива ниже допустимой, включается цилиндр;

- при включении всех цилиндров, включается механизм, открывающий дроссельную заслонку.

В процессе набора нагрузки генератора (переход с холостого хода на 1 ПКМ) во избежание вибраций и возможного повышенного расхода газа потребуется, согласно алгоритму управления частотой вращения и мощностью дизель-генератора тепловоза при работе на газомоторном топливе, последовательное включение ранее отключенных цилиндров. Момент включения очередного

^цпер +

(78)

Система управления цикловой подачей газа и топлива не допускает снижения объемной концентрации газа в газовоздушной смеси ниже минимально допустимой величины.

Предлагаемый алгоритм управления сечением дроссельной заслонки и количеством работающих цилиндров дизель-генератора тепловоза при работе на газомоторном топливе представлен на рисунках 25-27.

Рисунок 25 - Блок-схема алгоритма работы тепловозной силовой установки

Рисунок 26 - Блок-схема алгоритма управления сечением дроссельной заслонки и

количеством работающих цилиндров

Рисунок 27 - Блок-схема алгоритма подпрограммы «Алгоритм регулирования»

3.7 Выводы по разделу 3

Проведено исследование эффективности применения устройств дросселирования и отключения цилиндров для регулирования объемной концентрации газа в цилиндре.

Определена минимальная объемная концентрация газа в цилиндре, при которой обеспечивается устойчивая работа двигателя при работе по газодизельному циклу. Для работы на режиме холостого хода и под нагрузкой необходимо обеспечивать объемную концентрацию газа в цилиндре не ниже 2,7%.

Определен диапазон количества работающих цилиндров, при котором обеспечивается допустимая температура рабочего тела за выпускными клапанами и в выпускном коллекторе перед турбиной:

- на режиме холостого хода — не менее 2 цилиндров;

- на 1 ПКМ — не менее 2 цилиндров;

- на 2 ПКМ — не менее 3 цилиндров;

- на 3 ПКМ — не менее 4 цилиндров.

Определены показатели работы силовой установки и дроссельной заслонки на холостом ходу и под нагрузкой, обеспечивающие полное сгорание газа и экономичную работу двигателя.

Разработан алгоритм регулирования подачи топлива, сечения дроссельной заслонки и отключения части цилиндров при работе тепловоза на режимах эксплуатации, обеспечивающий устойчивую работу силовой установки при работе по газодизельному циклу.

Полученные результаты внедрены в производственную деятельность ООО «ППП «Дизельавтоматика» при создании электронной системы управления подачей газа и дизельного топлива СУДМ.03 (Приложение Б), а также в учебный процесс на кафедре «Электропоезда и локомотивы» ФГАОУ ВО «Российский университет транспорта» (Приложение В).

4 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ УСТРОЙСТВ ДРОССЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУХА И ОТКЛЮЧЕНИЯ ЧАСТИ ЦИЛИНДРОВ

4.1 Исходные данные для расчета

Определение экономического эффекта от применения результатов работы и срока окупаемости выполнено в соответствии с рекомендациями, установленными «Методическими подходами к оценке эффективности работ плана научно-технического развития ОАО «РЖД», утвержденными распоряжением ОАО «РЖД» от 07 декабря 2020 г. № 2681р.

Определим снижение расхода топливно-энергетических ресурсов при переводе локомотива на газомоторное топливо. Расчет выполнен для тепловоза ТЭМ18ДМ с частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу 240 об/мин.

Расчет среднеэксплуатационного расхода топлива ДГУ тепловоза ТЭМ18ДМ выполнен с использованием типовой циклограммы нагружения тепловозов [63] в пересчете на один час работы. Часовый расход топлива при работе на позициях контроллера машиниста был принят исходя из результатов расчета дизельного двигателя 1-ПД4Д.

Результаты расчетов сведены в таблицы 33-34.

Таблица 33 - Расход дизельного топлива по позициям контроллера машиниста при

работе по типовой циклограмме

Мощность Время работы Часовой расход топлива при Расход топлива при

Пк двигателя, на данной работе на данной позиции, работе на данной

Ш, кВт позиции, Т, сек Вчас, кг позиции, В, кг

0 0 822 4,92 1,123

1 55 87 16,27 0,393

2 114 315 27,95 2,446

3 176 313 41,19 3,581

4 268 155 60,95 2,624

5 393 74 86,15 1,771

6 556 22 118,1 0,722

7 724 5 151,4 0,210

8 882 5 185,1 0,257

I 1798 I 13,128

Пк Мощность двигателя, Ш, кВт Время работы на данной позиции, Т, сек Часовой расход дизельного топлива при работе на данной позиции Вчас, кг Часовой расход газа при работе на данной позиции Вчас, кг Расход дизельного топлива при работе на данной позиции, В, кг Расход газа при работе на данной позиции, В, кг

0 0 822 0,521 4,077 0,119 0,931

1 55 87 1,507 11,803 0,036 0,285

2 114 315 2,614 20,468 0,229 1,791

3 176 313 3,756 29,406 0,327 2,557

4 268 155 8,116 40,013 0,349 1,723

5 393 74 11,413 56,265 0,235 1,157

6 556 22 15,902 78,394 0,097 0,479

7 724 5 20,810 102,593 0,029 0,142

8 882 5 26,354 129,927 0,037 0,180

I 1798 I 1,457 9,245

Среднеэксплуатационный расход топлива, приведенный к часу работы определяем по формуле:

5ср = ^ , (79)

• 3600

По результатам расчета среднеэксплуатационный расход топлива ДГУ тепловоза ТЭМ18ДМ составил:

- при работе по дизельному циклу — 26,28 кг/час;

- при работе по газодизельному циклу — 2,92 кг/час дизельного топлива, 18,51 кг/час природного газа.

Проведем расчет снижения расходов на топливо при переводе дизеля тепловоза ТЭМ18ДМ на газодизельный цикл.

В таблице 35 представлены исходные данные для расчета.

№ п/п Наименование показателя Единица измерения Значение

1. Исходне данные

1.1 Годовой бюджет времени ч 8760

1.2 Коэффициент технической готовности тепловоза 0,95

1.3 Годовой бюджет времени работы тепловоза в эксплуатации ч 8322,000

1.4 Относительная продолжительность работы

1.4.1 - на холостом ходу (Пк=0) % 46

1.4.2 - под нагрузкой (в тяге) % 54

1.5 Среднеэксплуатационный расход топлива за час работы ДГУ

1.5.1 Дизельного топлива (дизельный цикл) кг/час 26,28

1.5.2 Дизельного топлива (газодизельный цикл) кг/час 2,92

1.5.3 газа (газодизельный цикл) кг/час 18,51

1.6 Цена дизельного топлива (без НДС) руб./т 44957,67

1.7 Цена природного газа (без НДС) руб./т 22478,83

1.8 Ориентировочная стоимость оборудования для модернизации 1 тепловоза тыс.руб. 7000,00

1.9 Ориентировочная стоимость модернизации 1 тепловоза тыс.руб. 1000,00

1.10 Стоимость металлолома снятого оборудования на 1 тепловоз тыс.руб. 1,50

1.11 Стоимость обучения работников эксплуатации, обслуживанию, ремонту технических средств на 1 тепловоз тыс.руб. 100,00

1.12 Дополнительные затраты на ремонт и содержание на 1 тепловоз тыс.руб. 500,00

4.2 Методика расчета технико-экономической эффективности

Критерием экономической эффективности использования устройств дросселирования и отключения части цилиндров при работе по газодизельному циклу на маневровых тепловозах ОАО «РЖД» принят показатель максимальной доходности (прибыльности) [64]. Основным показателем доходности принята

величина чистого дисконтированного дохода (ЧДД) или интегрального эффекта, рассчитываемого как превышение стоимостных результатов от внедрения электронных систем над затратами за расчетный период с учетом фактора времени.

Экономическая эффективность применения устройств дросселирования и отключения части цилиндров при работе по газодизельному циклу на тепловозе оценена показателями:

- чистый доход (ЧД);

- чистый дисконтированный доход или интегральный эффект (ЧДД);

- срок окупаемости инвестиций.

В качестве горизонта планирования в данной работе принимается период 10 лет, т.к. по истечению данного срока прогнозируется появление более совершенных локомотивов.

Величина чистого дохода за расчетный период определяется из выражения:

т т

ЧД = - X ^ , руб. (80)

где Пг - поток денежных средств в 1-ом году применения системы, руб;

Ке - инвестиционные расходы в 1-ом году на приобретение необходимого оборудования, руб.;

г - текущий год эксплуатации.

Поток денежных средств определяется по формуле:

П = Эг - АНпр.+А, руб. (81)

где Эг - экономия годовых эксплуатационных расходов от применения опытного комплекта оборудования на тепловозе в сравнении со штатным вариантом комплектации дизеля и тепловоза, руб.;

А - амортизационные отчисления, руб;

ДНпр - изменение платежей по налогу на прибыль, руб.

При выполнении расчета учтены налоговые выплаты по ставкам 2021 года в соответствии с Налоговым Кодексом Российской Федерации налог на прибыль -

20% от прибыли, рассчитываемой как сумма экономии годовых эксплуатационных расходов (гл. 25 части II НК РФ).

Срок службы основного оборудования из состава комплекта модернизации принят равным 10 лет (ТСЛ=10 лет), что определяет размер ежегодных амортизационных отчислений А, определяемых из выражения:

А = К, руб. (82)

Т СЛ

где Ке - единовременные расходы на приобретение оборудования, руб.

Величина чистого дисконтированного дохода за расчетный период, приведенная к начальному шагу по ставке дисконта, определена по формуле:

ЧДД = Й=о П • аг - Й=о ^ • аг, руб. (83)

где аг - коэффициент приведения разновременных затрат и результатов к расчетному году.

а, = 1/(1+Ен)',. (84)

где Ен - ставка дисконтирования, определяется распоряжением ОАО «РЖД», Ен=0,117.

Экономическая интерпретация критерия ЧДД за период, равный сроку службы основного оборудования, следующая:

- если ЧДД > 0 , то проект является эффективным;

- если ЧДД < 0 , то проект является неэффективным.