Дизель тепловоза
Общие сведения
ДИЗЕЛЬ ТЕПЛОВОЗА. 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. Двигатель, изобретенный в 1893 г. Рудольфом Дизелем (К. О1е8е1) 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 Ээл-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 G,08 1/с) он развивал мощность 1050 л. с. G72 кВт).
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.
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).
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 весо-габаритных 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 7РОЬ 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.