Дизель тепловоза

Главная → Подвижной состав → Локомотивы → Основные узлы локомотивов

Дизель 10Д 100: 1 - выпускной патрубок; 2 - тахометр; 3 - компенсатор; 4 - турбокомпрессор; 5 - маслоотделитель; 6 - крышка блока; 7 - трубопровод воздушный; 8 - блок дизеля; 9 - топливный насос высокого давления; 10 - форсунка; 11 - верхний коленчатый вал; 12 - верхний шатун; 13 - вертикальная передача; 14 - воздухоохладитель; 15 - воздуходувка; 16 - тяговый генератор; 17 - нижний коленчатый вал; 18 - нижний шатун; 19 - сетка; 20 - поршень; 21 - втулка цилиндра; 22 - объединенный регулятор дизеля; 23 - антивибратор; 24 - масляный насос

Дизелем называют поршневой двигатель с самовоспламенением топлива от процесса сжатия, у которого процесс сжигания топлива и превращение выделенного тепла в механическую работу происходят в цилиндрах.

Общие сведения

Двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, используемый на тепловозе в качестве основного источника механической энергии, необходимой для перемещения вагонов - дизель тепловоза (ДТ) преобразует энергию жидкого или газообразного топлива в механическую энергию вращения. Для получения механической работы из тепловой энергии сгорания топлива используют цикл последовательного изменения термодинамического состояния рабочего тела (воздуха) в цилиндрах поршневого двигателя. Цикл может осуществляться за два или четыре перемещения поршня в цилиндре. Цикл состоит из сжатия рабочего тела, подвода теплоты к рабочему телу за счет сжигания топлива, расширения рабочего тела и охлаждения рабочего тела до исходного состояния. Последний элемент цикла фактически осуществляется выбрасыванием отработанного рабочего тела в атмосферу и наполнением цилиндров свежим воздухом из атмосферы.

Историческая справка

Двигатель, изобретенный в 1893 г. Рудольфом Дизелем и названный его именем, отличался тем, что начало сгорания топлива в цилиндре осуществлялось путем самовоспламенения топлива в процессе сжатия за счет значительного превышения температуры рабочего тела в конце сжатия над температурой самовоспламенения. Первый в России дизель был выпущен в 1899 г. заводом «Русский дизель» в Санкт-Петербурге. Дизели использовались на судах и в стационарных установках. С выпуском в России в 1924 г. первого тепловоза началось применение дизелей на ж.-д. транспорте. На первых тепловозах устанавливались судовые дизели. В ноябре 1924 г. был выпущен тепловоз Э^эл-2 с первым тепловозным дизелем типа 42БМК-6 (современное обозначение 6445/42). Это был шестицилиндровый, четырехтактный, бескомпрессорный дизель с диаметром цилиндра 450 мм и ходом поршня 420мм. При частоте вращения коленчатого вала 425 об/мин он развивал мощность 1050 л. с.

Характеристики тепловозных дизелей

Для ДТ (см. таблицу) важны удельные показатели эффективности и надежности: удельный расход топлива (be), удельный вес (ge), среднее эффективное давление (Pe), средняя скорость поршня (cm), наработка до первой переборки (L1) и до капитального ремонта (Lk)> в км пробега. У дизеля 42БМК-6 они соответственно составляли: Ье = 0,2Ъ кг/кВтч; ge = 30 кг/кВт; Pe = 0,61 МПа; cm = 6,3 м/с; L1=60 тыс. км; Lk = 240 тыс. км.

Производство тепловозных дизелей

В России (в СССР до 1991 г.) ДТ производились Коломенским тепловозостроительным заводом (КТЗ), Харьковским заводом транспортного машиностроения им. Малышева (ХЗТМ, Украина), Пензенским дизелестроительным заводом (ПДЗ), Санкт-Петербургским заводом «Звезда», Балаковским дизельным заводом (БДЗ).

Конструкция тепловозных дизелей

Начиная с 1940-х гг. тепловозные двигатели создавались в США и развитых европейских странах. Были разработаны многочисленные модели и модификации ДТ. Параметры наиболее известных российских и зарубежных ДТ, год начала выпуска данной модели и основные параметры ДТ, достигнутые в результате развития модели на конец производства или на 2000 г. (если двигатель продолжает выпускаться), приведены в таблице. Из таблицы следует, что по мере развития и процесса доводки показатели эффективности ДТ заметно улучшались. Наиболее ощутимо улучшение весогабаритных показателей за счет повышения среднего эффективного давления. Например, с Pe = 0,61 у дизеля 42БМК-6 до Pe = 2-3 МПа у ДТ последних выпусков 90-х гг. За годы развития в 1,5—1,8 раза увеличилась быстроходность ДТ. Средняя скорость поршня с 6,3 возросла до 9-11 м/с (у отдельных моделей). Повышение среднего эффективного давления достигнуто за счет увеличения плотности рабочего тела в начале сжатия (с 0,095 до 0,3-0,35 МПа) путем предварительного сжатия воздуха перед подачей в цилиндры двигателя, т.н. наддува.

Для предварительного сжатия рабочего тела, как правило, используется энергия выпускных газов. Для этого на ДТ устанавливают газовую турбину, работающую на компрессор. Такой агрегат называют турбокомпрессором. В обозначении ДТ, имеющих турбокомпрессор, вводят букву Н. Применяемые на подвижном составе ДТ имеют турбокомпрессоры, или «турбонаддув». Применение наддува и повышение быстроходности позволило снизить: до 2-5 кг/кВт по сравнению с дизелем 42БМК-6. Снижение удельной массы позволило поднять агрегатную мощность ДТ до 4500 кВт.

Значительным достижением является повышение топливной экономичности: удельный расход топлива в применяемых ДТ находится на уровне 0,19-0,20 кг/кВтч, что на 30% лучше, чем у первого дизеля, установленного на тепловозе. Повышение экономичности достигнуто за счет улучшения качества процесса сгорания, повышения максимальных величин давления и температуры рабочего тела в цилиндре, снижения доли потерь механической энергии в двигателе. В значительной мере улучшены показатели надежности работы ДТ, которые имеют наработку до первой переборки 600—800 тыс. км пробега локомотива и до капитального ремонта 1,2-2,0 млн. км, допускают работу без захода в депо 90 и более суток. Такие показатели надежности достигнуты за счет применения новых материалов, совершенствования конструкции элементов ДТ, применения высокоточных гибких технологий, использования электронных систем управления и диагностики технического состояния.

Наиболее удачной конструкцией и длительностью использования (отдельных моделей) обладают дизели типа Д50 производства Харьковского, позже — Пензенского заводов, дизели Д49 производства Коломенского завода, дизели марки 16-567 фирмы «Дженерал моторе» и марки GE 7FDL-16 и GEVO-12 фирмы «Дженерал электрик» и их модификации.

Развитие дизелестроения предусматривает наряду с улучшением технических характеристик стремление к снижению уровня вредных выбросов в атмосферу с выпускными газами. При использовании 1 т топлива ДТ вырабатывает ок. 5000 кВт-ч энергии и выбрасывает в атмосферу ок. 75 кг окиси азота (N02), 20 кг оксида углерода (СО) и 4 кг углеводорода (СН). В мировом сообществе ДТ расходуют ок. 20 млн. т топлива и выбрасывают в атмосферу ок. 1,5 млн. т окиси азота; 0,4 млн. т оксида углерода и 0,16 млн.т углеводородов.

Для снижения загрязнения атмосферы выбросами ДТ производители дизелей ведут интенсивные исследования по совершенствованию рабочих процессов, созданию устройств, нейтрализующих вредные выбросы, исследуют возможность применения альтернативных топлив с меньшими выбросами вредных веществ в атмосферу.

В зависимости от рабочего цикла дизели могут быть четырех-и двухтактные, а по расположению цилиндров — однорядные, двухрядные, с V-образным расположением.

Четырех- и двухтактные дизели

Рабочий цикл — это совокупность периодически повторяющихся процессов, происходящих в цилиндрах в определенной последовательности при преобразовании теплоты в механическую работу. Периодичность рабочих циклов характеризуется числом ходов поршня (тактов). Тактом называют часть рабочего цикла, совершающегося в цилиндре при перемещении поршня из одного крайнего положения в другое (т. е. за один ход поршня). Крайние положения поршней называют мертвыми точками, потому что в них ось шатуна совпадает с осью кривошипа и давление рабочего тела на поршень не вызывает его перемещения. Графическое изображение изменения давления Р в цилиндре в зависимости от объема V за цикл называется индикаторной диаграммой.

Четырехтактный дизель

Дизель, в котором рабочий цикл совершается за четыре такта, называется четырехтактным. Цилиндр 1 такого дизеля, находящийся в блоке цилиндров 6, закрыт крышкой 10, в которой расположены топливная аппаратура 8, клапаны 7 для впуска свежего воздуха и клапаны 9 для выпуска отработавших газов. Клапаны открываются с помощью специального газораспределительного механизма, приводимого в действие коленчатым валом дизеля. Рассмотрим рабочий цикл четырехтактного дизеля. Такт 1 — наполнение. При движении поршня 2 от верхней мертвой точки (в. м. т.) вниз специальный распределительный механизм открывает впускной клапан 7 и воздух заполняет полость цилиндра. Впускные клапаны открываются чуть раньше прихода поршня в в. м. т. — точка г" на индикаторной диаграмме под цилиндром (рис. 66, а). В точке г давление меньше, чем во впускном канале трубопровода (давление Рк), но больше атмосферного Ро. Процесс впуска воздуха в цилиндр описывается линией r"rr'am. Когда поршень придет в нижнюю мертвую точку (н.м.т.), распределительный механизм закроет впускной клапан. Такт 1 закончен. Произошло наполнение цилиндра зарядом свежего воздуха. Такт 2 — сжатие. Поршень движется от н. м. т. (точка а) к в. м. т. Заряд свежего воздуха сжимается до давления и температуры, обеспечивающих надежное воспламенение топлива, поданного в цилиндр через топливную аппаратуру 8 (см. рис. 66, а) — этому соответствует линия ас. Топливо подается в точке п (рис. 66, б), горение начинается в точке п' еще до прихода поршня в в. м. т. ТактЗ — рабочий ход (расширение). Поршень движется от в. м. т. к н. м. т. под действием образовавшихся газов — линия czz'b'b (рис. 66, в). Температура образованных газов достигает 1700—1900 °C, давление повышается до 90-105 Па. В цилиндре 1 происходит расширение газов, во время которого теплота преобразуется в механическую работу — в перемещение поршня 2, а затем кривошипно-шатунным механизмом 4, 5 — во вращение коленчатого вала 3. Т акт 4 — выхлоп (выпуск) газов. Выпускные клапаны 9 открываются на такте расширения (в точке Ь', рис. 66, а), когда давление в цилиндре еще достаточно высокое. Это уменьшает сопротивление движению поршня к н. м. т. и улучшает очистку цилиндра. На индикаторной диаграмме выпуск происходит по линии b'br"rr'. В точке г рабочий цикл завершается. Индикаторная диаграмма делает процесс наглядным и, кроме того, позволяет определить работу, совершаемую рабочим телом за цикл.