Дизель тепловоза
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 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 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 r" на индикаторной диаграмме под цилиндром (рис. а). В точке r 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. а) — этому соответствует линия ас. Топливо подается в точке п (рис. 66, б), горение начинается в точке n' 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.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.
Такт 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 r рабочий цикл завершается.
Индикаторная диаграмма делает процесс наглядным и, кроме того, позволяет определить работу, совершаемую рабочим телом за цикл. Заштрихованная площадь диаграммы, измеренная в определенном масштабе, показывает полезную работу. Если же эту площадь изобразить в том же масштабе в виде прямоугольника с основанием Vh, то высота этого прямоугольника даст среднее индикаторное давление Площадь между линиями наполнения га и выпуска Ьг — отрицательная работа, затрачиваемая в цилиндре на преодоление сопротивлений во всасывающей и выпускной системах. В рабочем цикле (четыре хода поршня) один такт рабочий, а три — вспомогательные, совершающиеся с затратой энергии.
Двухтактный дизель
Рабочий цикл в нем совершается за два хода поршня (один оборот коленчатого вала), причем основные такты (сжатие и рабочий ход) остаются, а вспомогательные (наполнение и выпуск) образуют, сокращая, часть основных тактов, г. е. такт сжатия начинается с запаздыванием, а такт рабочего хода заканчивается с опережением. Принципиальная схема двухтактного двигателя, характерная для дизелей типа Д100, установленных на тепловозах ТЭЗ, ТЭ10М. и др., представлена на рис. (а). В результате вращения коленчатых валов 1 в противоположные стороны поршни 2 движутся навстречу один другому. Коленчатые валы кинематически связаны вертикальной передачей 8, причем нижний коленчатый вал при вращении опережает верхний на 12°. Через впускные окна 4 цилиндр дизеля наполняется свежим зарядом воздуха, а через выпускные 3 отработавшие газы выталкиваются. Открытие и закрытие окон 4, 3 осуществляется с помощью кромок верхнего и нижнего поршней. Воздух перед поступлением в цилиндр сжимается в турбокомпрессоре 7 (1-я ступень), затем в нагнетателе 6, приводимом в действие верхним коленчатым валом (2-я ступень); охлаждается воздух в холодильнике 5.
Проследим, как работает двухтактный дизель.
Такт 1 — наполнение, сжатие. Когда поршень находится в положении, соответствующем точке а на индикаторной диаграмме (рис. б), открыты впускные и выпускные окна. При движении поршней навстречу один другому к в. м. т. первыми закрываются выпускные окна (точка а'), через впускные окна до точки k в цилиндр продолжает поступать свежий воздух. На участке kc, как и в четырехтактном дизеле, идет сжатие, в точке с' в цилиндр впрыскивается топливо, оно воспламеняется и начинает гореть.
Такт 2 — рабочий ход, выпуск. На участке czz’ (рис. 67, в) продолжается горение топлива. От точки с поршни начинают расходиться к наружным н. м. т., совершая рабочий ход. В точке т открываются выпускные окна, давление в цилиндре резко снижается до соответствующего точке п, в которой открываются впускные окна. Рабочий цикл заканчивается.
Продувка и наддув дизелей
Для улучшения очистки цилиндров от отработавших газов, а следовательно, повышения мощности, к. п. д. в дизелях осуществляется продувка и наддув. Часть такта, когда открыты впускные и выпускные окна, называется продувкой. Прямоточную продувку при встречно-движущихся поршнях мы уже рассмотрели. В дизелях 11Д45, установленных на тепловозах ТЭП60, применена прямоточная клапанно-щелевая продувка. При ней через впускные окна свежий заряд воздуха выталкивает газы по всей площади цилиндра через клапан, расположенный в верхней части. Процесс, когда выпускные органы дизеля закрыты, а через впускные продолжает поступать свежий заряд в цилиндр, называется наддувом. Для осуществления продувки и наддува в тепловозных дизелях используют различного рода нагнетатели: роторные, центробежные, турбокомпрессоры. Наибольшее распространение получили турбокомпрессоры (рис. 68). Турбокомпрессор состоит из газовой турбины и центробежного компрессора, смонтированных на одном валу 6 и расположенных в литом разъемном корпусе. Выпускные газы по каналу улитки подводятся к сопловому аппарату 11 турбины, а оттуда с высокой скоростью поступают на рабочие лопатки 10 турбины, вращают ротор 8 и отводятся в атмосферу. Колесо компрессора 4, смонтированное на другом конце ротора, засасывает воздух из атмосферы