Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы повышения топливной экономичности тепловозов 10
1.1. Мероприятия по повышению топливной экономичности 10
1.2. Анализ методов повышения топливной экономичности 18
1.3. Режимы работы дизелей грузовых и пассажирских магистральных тепловозов в эксплуатации .20
1.4. Исследование работы тепловозного дизеля на вспомогательных режимах 24
1.5. Изменение расхода топлива от различных условий эксплуатации 30
1.6. Работа дизелей маневровых тепловозов 32
2. Расчетный анализ повышения топливной экономичности тепловозов .37
2.1. Анализ влияния отдельных факторов на экономичность тепловоза 37
2.2. Понижение расхода топлива на холостом ходу и малых нагрузках 42
2.3. Отключение подачи топлива в пять цилиндров дизелей 10Д100 на холостом ходу и малых нагрузках 46
2.4. Увеличение температур масла, воды и снижении температуры наддувочного воздуха 47
3. Повышение топливной экономичности тепловозных двс путем совершенствования их конструктивных характеристик и ограничения воздействия эксплуатационных факторов 54
3.1. Оценка режимов работы 54
3.2. Требования к технико-экономическим характеристикам тепловозов для эксплуатации 58
3.3. Снижение неравномерности нагрузки по цилиндрам дизеля .61
3.4. Выбор относительных показателей работы тепловозов различных серий с целью сравнения эффективности их использования в различных регионах эксплуатации 66
3.5. Корректировка норм расхода топлива 69
3.6. Рабочие тела двигателей внутреннего сгорания и их физические свойства 73
3.6.1. Моделирования процессов топливоподачи в дизелях 73
3.7. Моделирование гидродинамических процессов в системах топливоподачи 91
3.8. Расчет параметров ДВС, обеспечивающих достижение заданной мощности и топливной экономичности 94
3.9. Определение оптимальной (по топливной экономичности) продолжительности процесса сгорания 98
3.10. Расчета ДВС по мощностным показателям и топливной экономичности 106
4. Автоматизация экспериментальных исследований и обработка результатов эксперимента 112
4.1. Выбор условий проведения многофакторного эксперимента на ДВС 112
4.2. Разработка алгоритма расчета тепловозных ДВС по заданным мощностным показателям и топливной экономичности 114
4.3. Оптимизация работы тепловозных дизелей 118
4.4. Адекватность математических моделей рабочих
процессов дизелей 132
5. Внедрение каталитического фильтра преобразователя топлива 136
6. Определение технико-экономической эффективности от внедрения результатов исследования 143
6.1. Определение топливно-энергетических показателей 143
6.2. Исходные данные для расчета 147
6.3. Экономия в расходах на топливо 148
Выводы и рекомендации 150
Список использованных источников 151
Приложения 162
- Режимы работы дизелей грузовых и пассажирских магистральных тепловозов в эксплуатации
- Отключение подачи топлива в пять цилиндров дизелей 10Д100 на холостом ходу и малых нагрузках
- Требования к технико-экономическим характеристикам тепловозов для эксплуатации
- Разработка алгоритма расчета тепловозных ДВС по заданным мощностным показателям и топливной экономичности
Введение к работе
Россия, как известно, самая большая страна в мире. Существует пять основных видов транспортных систем: трубопроводная, водная, автомобильная, воздушная и железнодорожная транспортные системы. Множество природных ресурсов и предприятий по их переработке и выпуску готовой продукции расположены по всей стране. Для перевозки грузов (сырья, полуфабрикатов и готовой продукции) необходима такая транспортная система, которая отвечала бы требованиям: быстроты доставки, массовости доставляемых грузов и дешевизны. Наиболее полно и оптимально отвечающая этим требованиям является только железнодорожная транспортная система. Поэтому основным перевозочным транспортом в России является железнодорожный и от того, как будет функционировать данный вид транспорта, будет зависеть экономика страны. Следовательно, обеспечение эффективной и качественной работы всех звеньев железнодорожного транспорта -наиважнейшая задача, стоящая в настоящее время. В первую очередь, это касается локомотивного хозяйства, так как от него зависит соблюдение требований предъявляемых к основной транспортной системе страны. Поэтому поддержание и увеличение безотказности и надежности локомотивов является приоритетной задачей.
Экономичный расход топлива был основной проблемой со дня появления первого тепловоза. Актуален он и в наши дни, во времена экономической нестабильности, когда цены на энергоносители постоянно растут.
Актуальность проблемы: Принятые технические и организационные меры, как на зарубежных, так и на Российских железных дорогах, пока не в полной мере решают проблему экономичного расхода топлива локомотивами. В «Программе оздоровления эксплуатируемого парка локомотивов» на период до 2006 года перед локомотивным хозяйством железнодорожного транспорта поставлена задача увеличить объем перевозок грузов на 8-10% и пассажи рооборот на 7-9%, повысить производительность труда работников, занятых на перевозках, на 10-12%. Перед транспортом стоят задачи не только выполнения заданного объема перевозок, но и совершенствования всех его звеньев путем улучшения организации и технического переустройства с целью повышения экономичности, рентабельности перевозочного процесса и снижения транспортных издержек. Железные дороги нашей страны являются крупным потребителем энергоресурсов и, в частности, дизельного топлива. С ростом перевозочной работы, выполняемой тепловозами, годовое потребление дизельного топлива еще более увеличится. В связи с этим понижение расхода топлива приобретает большое значение, особенно в наши дни когда цены на энергоносители постоянно растут, что требует изыскания новых резервов, которые позволили бы снизить затраты на топливо. Проведенные научные исследования в области совершенствования конструкции энергетической установки тепловоза позволили повысить топливную экономичность дизеля. Однако достигнутого уровня недостаточно для достижения высоких показателей по экономичности дизеля. Поэтому исследование путей повышения топливной экономичности тепловозных дизелей является актуальной задачей.
Целью исследования: является повышение топливной экономичности тепловозных дизелей за счет совершенствования параметров энергетической установки. Для достижения указанной цели в диссертации поставлены следующие задачи: провести анализ существующих путей повышения топливной экономичности тепловозных дизелей на Российских железных дорогах; разработать математическую модель гидродинамических процессов топливоподачи дизеля для тепловоза ТЭМ2; разработать и обосновать конструкцию каталитического фильтра-преобразователя для химической обработки топлива; провести эксплуатационные испытания модернизированного тепловозного дизеля с целью оценки его топливной экономичности и надежности работы.
Научная новизна состоит в следующем: в отличие от многих исследований, проведенных применительно к экономичности тепловозных дизелей, в диссертации изложен новый подход к повышению топливной экономичности двигателя внутреннего сгорания, заключающийся в введении дополнительных конструктивных элементов в систему топливоподачи; на основании теории систем и математического анализа создана модель гидродинамических процессов в системе топливоподачи дизеля маневрового тепловоза ТЭМ2; разработан каталитический фильтр-преобразователь топлива для тепловоза ТЭМ2, который, по результатам испытаний обеспечивает снижение эксплуатационного расхода топлива на 3-5%. Практическая ценность: состоит в том, что без дорогостоящей и трудоемкой модернизации тепловозного дизеля, разработанная в диссертации конструкция фильтра может существенно снизить эксплуатационный расход топлива дизеля тепловоза.
Реализация результатов работы.
Результаты исследования, рекомендации и выводы автора легли в основу при разработке организационно-технических мероприятий, направленных на повышение экономии топливно-энергетических ресурсов на Куйбышевской железной дороге на 1998-2005 годы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных и межвузовских научно-технических конференциях (г. Самара, СамИИТ 1999, 2000, 2001 г.г., г. Москва, МИИТ 2000г., г. Ростов-на-Дону, РГУПС 2000г., г. Омск, ОмГУПС 2000г.) и на научном семинаре кафедры «Локомотивы» СамИИТа (г. Самара, 2001 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 статей, и 3 авторских свидетельства о регистрации интеллектуального продукта
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка использованных источников, включающего 81 наименование и 5 приложений. Общий объем диссертации - 161 стр, в работе 15 рисунков, 15 таблиц.
Режимы работы дизелей грузовых и пассажирских магистральных тепловозов в эксплуатации
Стремление к достижению лучших результатов в экономном расходовании топлива дизельными локомотивами, поиски путей усовершенствования их конструкции возможны при тщательном анализе условий эксплуатации тепловозов, которые могут быть различными в зависимости от рода выполняемой работы, климатических условий, а также большого количества других показателей, определяющих и характеризующих качество их использования. /4, 7,13/ Опытные поездки с динамометрическими вагонами, на 12 дорогах, показали, что при существующих весах поездов, технической и участковой скорости коэффициент использования мощности тепловозов ТЭМ2 в поездной работе не превышает в среднем 0,6, а тепловозов 2ТЭ10М-0.4. Средний эксплуатационный коэффициент полезного действия тепловозов ТЭМ2, рассчитанный для реальных условий работы в грузовом движении, за время нахождения локомотива в эксплуатации составил 20 - 21% (на номинальном режиме - 29%). По обзорам научных трудов А.Э. Симеона, А.Э. Хомича, Е.Е. Коссова, СИ. Сухопарова, В.И. Сковородникова, Д.Я. Носырева, В.Д. Кузмича, Б.М. Минаева, В.В. Четвергова, В.В. Корбана для определения причин столь значительного снижения к.п.д. тепловоза в эксплуатации, предложен критерий среднеэксплуатационной экономичности дизель-генераторной установки Kv в виде отношения среднеэксплуатационного к.п.д. 77еср.экспл к к.п.д. на номинальном режиме Ле сР. ном, которое выражается формулой: /10, 16, 28, 41/ где: Р - относительная мощность, реализуемая в течение времени; Агя , - соответствующая заданной позиции контроллера (частоте вращения п)\ А?я - относительное (по отношению ко всему времени работыти) время работы дизеля под нагрузкой при соответствующих Р \лп; ъхх - часовой расход топлива на холостом ходу по отношению к общему расходу топлива; Дг - время работы на холостом ходу; це - эффективный к.п.д. дизеля при данной мощности (на неноминальном режиме); Лессжспл - эксплуатационный к.п.д. дизеля. где: 7]еНОМ - эффективный к.п.д. дизеля на номинальном режиме; Кп - коэффициент, учитывающий снижение критерия кч за счет переходных процессов (работа дизеля при переводе рукоятки контроллера и самопроизвольном изменении мощности из-за снижения или увеличения скорости движения, изменении силы тяги, нагрузки на собственные нужды тепловоза, при боксовании и т.д.). Как видно из формулы, снижение критерия кч зависит от трех основных факторов: 1.
Падение эффективного к.п.д. дизеля на неноминальных режимах, обусловленное заметным снижением к.п.д. дизеля по сравнению с номинальным. Чем больше падение эффективного к.п.д. дизеля, тем в большей мере проявляется влияние этого фактора, снижающего среднеэксплуатационный к.п.д. 2. Увеличенная продолжительность работы дизеля на режимах холостого хода Лт и повышенная относительная величина расхода топлива при работе на этих режимах Ьхх особенно в зимнее время. 3. Переходные процессы, характерные для эксплуатации тепловозов, учитываемые коэффициентом Кп зависящим от количества и длительности переходных процессов. Все эти факторы уменьшают среднеэксплуатационный к.п.д. и характеризуют недостаточную приспособленность тепловозных дизель-генераторов, к условиям работы локомотива. Следовательно, для повышения критерия среднеэксплуатационной экономичности тепловозов необходимо приближение тепловозной характеристики к зоне наименьших удельных расходов топлива, уменьшение времени работы дизеля и снижение расхода топлива на холостом ходу, уменьшение количества и продолжительности переходных процессов. Наибольший интерес с точки зрения экономической эффективности тепловозов, несомненно представляет оптимизация рабочего процесса двигателя на вспомогательных режимах, к которым относятся работа дизеля на холостом ходу, пуски, остановки, провороты коленчатого вала, работа дизеля в процессе ремонта и обслуживания. /22, 23/
Отключение подачи топлива в пять цилиндров дизелей 10Д100 на холостом ходу и малых нагрузках
Эффективное применение отключения подачи топлива в часть цилиндров дизеля 2Д100 оказывается нецелесообразным для дизелей 10Д100. На малых нагрузках давление воздуха в продувочном ресивере целиком обусловлено степенью повышения давления приводного нагнетателя, представляющего вторую (вслед за турбокомпрессором) ступень наддува. Проточная часть турбины турбокомпрессора создает лишь добавочное сопротивление на выпуске, а нагнетатель турбокомпрессора практически не повышает давления.
На холостом ходу дизеля 10Д100 (при 400 об/мин) перепад давлений между давлением в продувочном ресивере и выпускном коллекторе снижается до 160мм вод. ст. Малое значение перепада давлений определяет также недостаточную скорость воздушного вихря и ухудшение процесса смесеобразования на этих режимах, особенно в условиях некачественного распыла топлива. При малых подачах топлива во все 10 цилиндров на холостом ходу топливная аппаратура работает с низкими давлениями распыливания, нестабильным остаточным давлением в трубопроводе, вплоть до пропусков подачи и подтекания. /16, 18, 39, 46, 48/
При больших значениях коэффициента избытка воздуха, соответствующих работе дизеля на холостом ходу и малых нагрузках, расход топлива, как правило, относительно высокий (т.е. падение расхода топлива происходит значительно более полого, чем снижение индикаторной мощности). Следует рассмотреть возможность его снижения за счет повышения температур масла и воды, которые на этих режимах занижены, а также за счет дросселирования воздуха на входе и газов на выходе из двигателя с целью уменьшения коэффициента избытка воздуха. /34, 42/
Ухудшение процесса сгорания при работе дизеля на холостом ходу происходит из-за неудовлетворительного смесеобразования, увеличения периода задержки воспламенения и увеличения относительных тепловых потерь в воду и масло.
Анализ потерь тепла в дизеле 2Д100 на холостом ходу при различных температурах воды и масла при п=400 об/мин и работе одного ряда топливных насосов показывает, что суммарные потери тепла в воду и масло достигают 50 - 60%. Такой же процент потерь тепла в воду и масла наблюдается и на дизеле 10Д100 (табл. 2.1.).
Снижение часового расхода топлива с увеличением температуры на 30С составляет 5-10%. При этом приблизительно на такую же величину (до 7%) уменьшаются потери тепла в воду. Уменьшение часового расхода топлива объясняется уменьшением потерь на трение и некоторым улучшением индикаторного к.п.д. за счет повышения качества процесса сгорания.
Процесс сгорания улучшается в связи с уменьшением теплоотдачи от газа в стенки гильзы (в связи с уменьшением перепада температур газа в цилиндре и стенок гильзы, изменяющейся в соответствии с повышением температуры охлаждающей воды) и, главным образом, вследствие уменьшения периода задержки воспламенения, обусловленного увеличением температуры конца сжатия и увеличением влияния теплоотдачи от стенок.
С ростом температуры масла уменьшается и удельный индикаторный расход топлива. Так, для дизеля 2Д100 при повышении температуры масла от 38 до 65С часовой расход топлива на холостом ходу при 400 об/мин снижается с 34,3 до 27,8 кг/ч, т.е. на 23%. Более резкое снижение расхода топлива с ростом температуры масла по сравнению с температурой воды объясняется более существенным влиянием температур масла на мощность трения.
Мощность трения изменяется в зависимости от температуры масла. При повышении температуры на 10С мощность трения понижается на 20 л. с. Эти данные получены в результате прокрутки двигателя 2Д100 при помощи балансирной машины. Понижение мощности трения объясняется резким падением вязкости масла с ростом температуры.
Одновременное повышение температуры воды и масла существенно влияет на снижение часового расхода топлива, что связано с уменьшением механических потерь и некоторым улучшением процесса сгорания. /35, 39, 48/
В процессе испытаний дизеля 2Д100 на холостом ходу было обнаружено значительное влияние температуры топлива на его часовой расход. В меньшей степени это влияние подтвердилось и при работе дизеля на номинальном режиме. Как было указано ранее, для дизеля типа Д100 с сильным воздушным вихрем даже при работе на малой частоте вращения решающее значение имеет уменьшение вязкости топлива при росте его температуры, показывает, что суммарные потери тепла в воду и масло достигают 50-60%. Такой же процент потерь тепла в воду и масла наблюдается и на дизеле 10Д100.
Снижение часового расхода топлива с увеличением температуры на 30С составляет 5-10%. При этом приблизительно на такую же величину (до 7%) уменьшаются потери тепла в воду. Уменьшение часового расхода топлива объясняется уменьшением потерь на трение и некоторым улучшением индикаторного к.п.д. за счет повышения качества процесса сгорания.
Процесс сгорания улучшается в связи с уменьшением теплоотдачи от газа в стенки гильзы (в связи с уменьшением перепада температур газа в цилиндре и стенок гильзы, изменяющегося в соответствии с повышением температуры охлаждающей воды) и, главным образом, вследствие задержки воспламенения, обусловленного увеличением температуры конца сжатия и увеличением влияния теплоотдачи от стенок. /44/
Требования к технико-экономическим характеристикам тепловозов для эксплуатации
Экономичность ДГУ зависит от интенсивности использования тепловозов. Одним из основных показателей, характеризующих использование тепловоза, является масса поезда. Для сравнительного анализа эффективности эксплуатации применяют относительный показатель - коэффициент массы поезда kQ представляющий собой отношение средней массы поезда к расчетной. Значения показателей режимов (коэффициента использования мощности ДГУ vHfl, средней позиции контроллера Пк и числа переключений позиций контроллера КПк удельного расхода топлива на тягу поездов де) при различных коэффициентах массы поезда приведены в табл. 3.3. Анализ распределения мощности ДГУ тепловозов при различных значениях коэффициента массы поезда показал, что повышение kQ от 0,3 до 1,0 практически не приводит к увеличению вероятности работы ДГУ на номинальной мощности. Развиваемая средняя мощность тепловозов 2ТЭ10М и 2ТЭ116 при kQ=1,0 составляет 1100-1400 кВт [(0,5-0,6)NeHoM], при одинаковом удельном расходе топлива, а при мощности меньше 0,5NeHoM удельный расход топлива у 2ТЭ116 больше, чем у 2ТЭ10М. Поэтому удельный расход топлива на номинальной мощности не может служить объективным критерием оценки топливной экономичности ДГУ тепловозов в эксплуатации. Обобщение и анализ статистических и экспериментальных данных, характеризующих условия эксплуатации и режимы работы тепловозов, показали, что степень использования мощности ДГУ с учетом режима холостого хода не превышает 0,5.
Основными причинами низкого значения коэффициента использования установленной мощности являются: рост грузонапряженности основных железнодорожных направлений и установление пропускной способности участков больше оптимальной; і ? движение поездов со скоростями ниже расчетных и максимально допустимых; ? передислокация тепловозов на менее грузонапряженные второстепенные и однопутные участки железных дорог в связи с электрификацией основных железнодорожных направлений; ? длительная по времени работа дизелей на холостом ходу в период стоянок из-за низкой температуры наружного воздуха; ? маршрутизация поездопотоков и унификация нормативной массы поезда. С учетом изложенного в перспективе следует ожидать,, что коэффициент использования мощности тепловозов не увеличится. Следовательно, при внедрении новых мощных и потенциально экономичных тепловозов не представляется возможным повысить топливную экономичность ДГУ без изменения ее характеристики удельного расхода топлива. Повышение топливной экономичности тепловозов можно осуществить за счет приспособления ДГУ к реальным условиям работы путем введения на стадии их создания конструктивных усовершенствований, позволяющих смещать минимум характеристики удельного расхода топлива в зону преимущественных нагрузок. Учитывая значительное время работы тепловозов в режиме холостого хода в период длительных стоянок, особенно на однопутных линиях, необходимо предусматривать автономные энергетические установки для обогрева систем тепловоза, что позволит снизить эксплуатационные расходы топлива и увеличить ресурс дизелей тепловозов. /7, 10, 20, 39/
Разработка алгоритма расчета тепловозных ДВС по заданным мощностным показателям и топливной экономичности
В общем случае коленчатому валу тепловозных ДВС может передаваться механическая энергия, образующаяся в результате протекания рабочего процесса в их цилиндрах, и избыточная механическая энергия от турбокомпрессора. Тогда суммарный эффективный КПД. где: Рекв - мощность, передаваемая коленчатому валу от турбокомпрессора; РЄЕ - суммарная мощность цилиндров ДВС. Рассмотрим возможности увеличения эффективного КПД двигателя Het путем совершенствования характеристик рабочего процесса. При отсутствии ограничений на величину максимального давления сгорания, организации процесса сгорания при V=const и адиабатном протекании рабочего цикла тормозной термический КПД (эффективный КПД). Обеспечение адиабатного протекания рабочего процесса при отсутствии ограничений на величину максимального давления связано с разработкой новых материалов для ДВС и новых конструктивных решений. В том числе по способу передачи механической энергии от поршня к коленчатому валу. Для увеличения скорости сгорания топлива необходимо разработать способы соответствующей интенсификации процесса сгорания. В современных высокоэкономичных ДВС потери теплоты в стенки ЦПГ составляют xw=0,06-0,1. Тогда при организации процесса сгорания по характеристике V=const, составит 0,97-0,984, a net=0,595-0,603. Однако реальная продолжительность процесса сгорания ф2 50ПКВ. В зависимости от продолжительности процесса сгорания изменяется величина ТІОТН.Д. Для интервала фг=(10-40)ПКВ Лотн.д=0,975-ь0,90, Лсг=0,984ч-0,967, гв=0,93н-0,91. Het=0,588-0,522 (8Т=0,05).
С уменьшением относительных потерь теплоты в стенки ЦПГ и применением в двухтактных ДВС прямоточно-клапанной системы продувки увеличилась энергия выпускных газов. Появилась возможность, избыток мощности в турбине отводить к коленчатому валу дизеля. Получаемая таким образом дополнительная мощность составляет «0,03-0,05 от мощности ДВС. Прямо пропорционально увеличится и тормозной термический КПД. Проведем анализ влияния уменьшения потерь теплоты в стенки ЦПГ и увеличения эффективности преобразования тепловой энергии в механическую в цилиндре ДВС на относительную мощность турбины и величину суммарного тормозного термического КПД. При уменьшении относительной потери теплоты в стенки ЦПГ на величину Axw увеличивается индикаторный КПД двигателя и энергия выпускных газов. То есть где: AxWe - дополнительное относительное количество теплоты, преобразуемое в работу в цилиндрах ДВС; Axwrr - дополнительное относительное количество теплоты, срабатываемое в турбине. При условии, что вся дополнительная мощность от срабатывания Axwrr в турбине передается коленчатому валу, увеличение эффективного КПД дизеля где: ret - эффективный КПД турбины; % - термический КПД рабочего цикла, протекающего в турбине. Так как влияние Axwe учитывается через цСа, то в расчетах будем оценивать изменение величины тормозного термического КПД только в результате подвода к коленчатому валу ДВС избыточной мощности. Для принятых выше данных, Tiet=0,85, тн=0,4 снижение относительных потерь теплоты в стенки ЦПГ с х«=0,06ч-0,08 до xw=0,035- 0,Об приведет к увеличению эффективного КПД ДВС на Anetw=0,5-r0,6%. С увеличением эффективности преобразования в цилиндрах ДВС тепловой энергии в механическую уменьшается относительная мощность турбины и, следовательно, избыточная мощность, передаваемая на коленчатый вал ДВС. Из уравнения теплового баланса следует, что увеличение тормозного термического КПД ДВС Anet (при прочих равных условиях) равно снижению относительного количества теплоты, содержащейся в выпускных газах AqB.e Выражение (83) позволяет учесть влияние собственных потерь в агрегатах тепловоза и тяговой передаче на расход топлива в эксплуатации. Имелось в виду то, что качественные показатели тепловоза зависят не только от эффективности дизеля, но и от КПД тяговой передачи и затрат энергии на собственные нужды. /62, 69/ Чем выше КПД передачи и меньше затраты энергии в агрегатах, тем выше эффективность тепловоза. Переход от оценки дизеля к оценке тепловоза в целом абсолютно верен, однако нужно учесть и другие влияющие факторы: массу тепловоза и сопротивление движению. С учетом этих факторов критерий оценки имеет следующий вид:
