CC BY
55Особенности применения газомоторного топлива на железнодорожном транспорте
П.П. Петров, главный инженер НПФ «ЭКИП» (Москва), к.т.н.
Комбинированные (гибридные) энергетические установки на основе свободно-поршневых двигателей способны улучшить весь комплекс технико-экономических показателей силовых установок различного назначения, а также решить назревшие проблемы двигателестроения и железнодорожного транспорта. Современные апробированные технические решения позволяют поднять эксплуатационный КПД тепловозов на природном газе выше 40 % и обеспечить размещение необходимого запаса природного газа, в том числе компримированного.
__Ключевые слова:
комбинированная (гибридная) энергетическая установка, свободнопоршневой
двигатель, природный газ, газотурбовоз, тепловоз.
транспортной системе железные дороги занимают одно из ведущих мест, а транспортные издержки в значительной степени определяются затратами на топливо и смазочные материалы. Газомоторные топлива позволяют существенно поднять эффективность транспортно-энергетического комплекса. Однако для широкого практического применения природного газа (ПГ) необходимо обеспечить решение двух основополагающих проблем - создание инфраструктуры заправки газом и размещение на борту достаточного количества топлива. Эти проблемы взаимосвязаны и обусловлены характеристиками применяемых силовых установок (СУ).
Опыт создания газогенераторных и газовых локомотивов показывает, что для перевозки необходимого запаса топлива требуется бустер или тендер. Плотность даже сжиженного природно-
го газа (СПГ) не позволяет разместить на транспортном средстве достаточный запас топлива. Удовлетворительное решение возникших проблем возможно, если уменьшить удельный объем СУ в 2-5 раз по сравнению с тепловозными дизелями и/или снизить эксплуатационный расход топлива в 1,5-2 раза. При выполнении этих условий появляется реальная возможность размещения на локомотиве СПГ в объеме, достаточном для сохранения запаса хода между экипировками аналогично тепловозам на дизельном топливе.
В настоящее время для традиционных дизелей такие задачи не имеют практического решения, поэтому предприняты попытки применить газотурбинные двигатели (ГТД) на железнодорожном транспорте. Примером успешного решения задачи размещения достаточного запаса СПГ может служить газотурбовоз ГТ1. Однако при мощности
8,3 МВт ГТД расходует 2200 кг/ч СПГ (эффективный КПД це = 0,253), а на холостом ходу - 535 кг/ч.
Полвека назад был создан газотурбовоз ГТ-101 [1] мощностью 2208 кВт в секции с пе = 0,36, что ставит под сомнение рациональность проекта ГТ1. Более того, современный уровень развития теории комбинированных энергоустановок показывает, что при работе на газе в габаритах ГТ-101 можно разместить 22 МВт мощности при пе >0,5. Поскольку от локомотива не требуется более 10 МВт, то очевидно, что освобождаемого пространства достаточно для размещения всех систем и запаса СПГ, которого требуется в 2 раза меньше, чем для ГТ1.
Преимущества по массогабаритным показателям (без учета дополнительного запаса топлива и газовоздушного тракта для наземных условий) перед тепловозными дизелями имеют лишь авиационные ГТД с весьма низким КПД. Применение даже одного регенеративного теплообменника (для повышения КПД) увеличивает массу и габаритные размеры авиационного ГТД до уровня тепловозного дизеля. На газотурбовозе ГТ1 столь плотная компоновка, что отсутствует запас пространства для установки регенератора. У маневрового газотурбовоза ГЭМ10 те же проблемы.
Опыт создания газотурбовозов ГТ1 и ГЭМ10 убедительно доказывает нерациональность применения авиационных ГТД на локомотиве. Повторился известный по танкам результат, когда авиационные двигатели вместе с системами и запасом топлива в наземных условиях не имеют преимуществ перед дизелями по массогабаритным показателям. Более того, из опыта сравнительной эксплуатации танков известно, что ГТД имеют на 30 % больший эксплуатационный расход топлива и в 5-7 раз дороже дизелей.
ГТД газотурбовоза ГТ1 потребляет в 2 раза больше топлива, чем дизель
тепловоза. Поэтому даже при более низкой цене ПГ эффективность инвестиций оказывается невысокой. К стоимости ГТ1 необходимо добавить затраты на создание инфраструктуры получения и заправки СПГ, что при нынешнем КПД газотурбовоза составит 1,5...2,5 млн долл. США на газотурбовоз, то есть фактически увеличивает его стоимость вдвое. И только в случае существенного повышения КПД можно рассчитывать на экономическую эффективность газотурбовоза. Размещение компримированного природного газа (КПГ), который дешевле СПГ, еще проблематичнее. Однако очевидно, что при КПД СУ более 0,5 (при тех же габаритах установки) необходимый запас КПГ разместится в габаритах криогенной емкости ГТ1.
С целью разрешения возникших противоречий рассмотрим возможные пути их преодоления. Основной причиной, сдерживающей техническое совершенствование локомотивного парка, является традиционный подход к выбору типа СУ. В настоящее время на магистральных и маневровых локомотивах применяются двигатели, созданные 40-50 лет назад. К сожалению, серийные двигатели за истекшие годы не преодолели рубеж расхода топлива, полученный 50 лет назад [2] на опытном тепловозном дизеле. Некоторое снижение эксплуатационного расхода топлива достигнуто за счет совершенствования агрегатов и повышения экономичности частичных режимов. Показатели существующих дизелей находятся в области оптимального решения, поэтому улучшение одних показателей приводит к ухудшению других.
Аналогичная картина характерна и для импортных дизелей (косвенное подтверждение - поставка коломенских дизелей в Германию). Поэтому замена отечественных дизелей на лицензионные является заведомым тупиком, приводящим к увеличению транспортных
издержек, стоимости национального продукта и технической отсталости, так как лицензии продаются только на двигатели, находящиеся в производстве, то есть морально устаревшие.
При оценке перспективных направлений совершенствования СУ необходим учет условий эксплуатации, действующих и возможных ограничений. Очевидно, что нормы экологической безопасности будут ужесточаться и далее.
Эмиссия вредных веществ зависит от типа и технического состояния СУ, режима ее работы, расхода и состава топлива. Тип СУ определяет параметры расчетного режима, камеру сгорания, температуру, давление и время пребывания компонентов в зонах образования и рекомбинации вредных веществ, степень отличия нерасчетных режимов (частичные нагрузки, холостой ход и переходные режимы) от расчетного. Техническое состояние (степень исправности и износа) СУ в ряде случаев увеличивает эмиссию в несколько раз. Расход топлива также зависит от типа СУ, режима ее работы, параметров расчетного режима, степени отличия нерасчетных режимов от оптимального, технического состояния, сопротивления в газовоздушном тракте (в том числе за счет нейтрализаторов).
Следовательно, для удовлетворения перспективным требованиям экологической безопасности необходимо, прежде всего, снижать эксплуатационный расход ископаемых топлив. Повышение эксплуатационного КПД способствует пропорциональному снижению выбросов СО2 . Для решения проблем экологии настоятельно требуются качественно новые СУ и альтернативные топлива. Работа двигателя на природном газе с воспламенением от сжатия при переменной степени сжатия позволяет автоматически удовлетворять нормам «Евро-5» без систем нейтрализации выпускных газов. Однако при нормальных условиях обеспечение
процесса сгорания ПГ с воспламенением от сжатия требует высокой степени сжатия, при которой максимальное давление цикла не может быть ниже 21.. .22 МПа, а на номинальном режиме может достигать 28.36 МПа. Традиционные дизели не могут работать с таким максимальным давлением цикла.
Эффективность локомотива существенно зависит от цены применяемого топлива и эксплуатационного КПД, который может значительно отличаться от максимального в зависимости от типа СУ. Поэтому весь мир занят созданием комбинированных (гибридные) энергетических установок (КЭУ).
Основные цели использования КЭУ вместо обычной силовой установки транспортного средства (ТС) следующие:
• уменьшение (на 25.50 %) мощности первичного двигателя;
• повышение коэффициента использования мощности ДВС с реализацией наиболее экономичных режимов его работы;
• снижение (на 50.85 %) количества выбрасываемых в атмосферу токсичных веществ;
• аккумулирование энергии рекуперативного торможения ТС.
В настоящее время КЭУ представляет собой наиболее перспективное направление в развитии транспортных средств, что подтверждается масштабами работ в области КЭУ. Однако в рамках традиционных поршневых двигателей не удается существенно снизить массу и габаритные размеры КЭУ, так как это требует увеличения давления наддува в несколько раз, а у кривошипно-шатунного механизма (КШМ) практически отсутствуют резервы.
Режимы эксплуатации дизель-поездов, магистральных и маневровых локомотивов существенно различаются. Общим для них является разгон, торможение и холостой ход. Поэтому состав КЭУ и тип передачи может изменяться в зависимости от назначения.
Наиболее показательны в этом отношении маневровые локомотивы, имеющие особую специфику эксплуатации, которая характеризуется следующим:
• долей холостого хода, составляющей до 60.80 % всего времени работы;
• непрерывными переходными процессами при работе под нагрузкой как по дизелю, так и по силовой передаче;
• сведением на нет на номинальном режиме (КПД пе=0,44) высоких качеств ДВС из-за особенностей эксплуатации, которая приводит к низкому коэффициенту использования мощности (0,09.0,13) и среднеэксплу-атационному КПД пэ=0,051.. .0,097.
Появление современных КЭУ в значительной степени обязано различным вариантам аккумуляторных систем промышленного железнодорожного транспорта. Экономичность двигателя определяется не только термическим КПД реализуемого в нем цикла. Еще важна эффективность преобразования произведенной механической энергии в работу на колесе. Организация работы СУ по раздельному циклу позволяет существенно увеличить эксплуатационный КПД. Сгорание топлива происходит на расчетных режимах с постоянной мощностью, а необходимую тяговую характеристику обеспечивает передача. Сглаживание колебаний мощности на колесе обеспечивается накопителями энергии или рабочего тела (у паровоза это котел, который обеспечивал пэ=0,06 при П=0,08).
Современные КЭУ включают первичный двигатель-генератор (электрический, пневматический или гидравлический), накопители энергии и обратимый двигатель-генератор. Первичный двигатель-генератор преобразует химическую энергию топлива в энергию носителя, в качестве которого может быть электрический ток,
сжатый газ (воздух), жидкость или механическая энергия, передаваемая от поршня к колесу.
Применение КЭУ позволяет уменьшить установленную мощность и объем первичного двигателя, но при этом появляются дополнительные агрегаты. Выбор рациональной схемы КЭУ в значительной степени определяется типом передачи. В настоящее время различные типы передач характеризуются следующими значениями КПД:
• 0,67.0,86 - электрическая;
• 0,85.0,91 - гидрообъемная;
• 0,7.0,86 - гидромеханическая;
• 0,74.0,93 - термопневматическая.
Гибридные СУ с накопителями кинетической энергии непригодны для транспорта. При достаточной энергоемкости в супермаховиках возникают значительные гироскопические моменты, нарушающие управляемость и безопасность движения на кривых участках пути. Установка систем безопасного подвешивания делает супермаховики неконкурентоспособными.
При электрической передаче применяют электрические накопители энергии. По сравнению с механической коробкой передач система получается более громоздкой, но имеет хорошую управляемость и позволяет рекуперировать энергию торможения. Однако в электрических накопителях энергии существуют ограничения по скорости зарядки и разрядки, массе, стоимости и безопасности (для литий-ионных аккумуляторов). Наиболее рациональна такая схема СУ при использовании топливных элементов в качестве первичного двигателя, но на практике применение гибридной схемы с ними неэффективно [3] (эксплуатационный КПД не превышает 23 %).
Гидрообъемная передача решает те же задачи, что и предыдущая, но основным рабочим телом является жидкость. Обратимый гидравлический двигатель в насосном режи-
ме пригоден для рекуперации энергии торможения, которая накапливается в гидропневматических аккумуляторах [4]. С точки зрения эффективного аккумулирования энергии гидравлическая часть системы является избыточной. Использование для зарядки аккумуляторов азота и разделителя сред с учетом дополнительных потерь в гидромоторе и гидронасосе ограничивает применение данной схемы КЭУ.
При пневматической передаче в качестве рабочего тела используется воздух и/или продукты сгорания топлива. От предыдущих типов она отличается тем, что это единственный тип передачи, которая может повысить КПД на колесе по сравнению с КПД исходного двигателя за счет регенерации энергии выпускных газов [5, 6].
Во всех рассмотренных случаях система оказывается громоздкой и проигрывает по сравнению с традиционной по объему и массе СУ даже с учетом уменьшения установленной мощности первичного двигателя и запаса топлива. Это происходит из-за того, что первичный двигатель (дизель с КШМ) имеет ограниченные возможности и лишние звенья передач и преобразователей. В результате поступательное движение поршня ДВС преобразуется во вращательное коленчатого вала, а затем вращательное движение приводного вала гидронасоса или компрессора -в поступательное движение плунжера или поршня.
Очевидно, что вращательное движение здесь лишнее. Оно приводит к увеличению массы, объема, стоимости СУ, увеличению потерь при преобразовании поступательного движения во вращательное и обратно, а также накладывает дополнительные ограничения на параметры рабочего процесса первичного двигателя.
Если поршни первичного двига-
теля и преобразователя (генератор) соединить, то получим свободно-поршневой двигатель-генератор - то есть свободнопоршневой двигатель-гидронасос (СПДГН), свободнопорш-невой двигатель-компрессор (СПДК), свободнопоршневой двигатель с линейным электрогенератором, генератор рабочего тела в виде продуктов сгорания. Возможна комбинация всех перечисленных вариантов.
Применение СПД позволяет убрать лишние звенья и существенно повысить КПД расчетного режима (до пе=0,54...0,58). Устраняются также причины, вызывающие в обычных ДВС значительные отклонения от расчетных режимов. Здесь, прежде всего, следует напомнить, что СПД на переходных режимах не дымит в принципе. По уровню эффективного КПД (но не эксплуатационного) конкуренцию СПД могут составить лишь топливные элементы. Однако в отличие от топливных элементов СПД не чувствителен к топливу и может работать на природном газе с воспламенением от сжатия (не требует запальной дозы дизельного топлива, свечи, фор-камеры и т.п.), что существенно упрощает топливную аппаратуру и всю СУ в целом. Длительные режимы холостого хода либо исключаются (пусковые качества СПД это позволяют), либо средневзвешенная частота циклов доводится до уровня 10/мин, что в 30-35 раз уменьшает расход топлива на холостом ходу по сравнению с тепловозными дизелями. Тепловой режим обеспечивается рециркуляцией выхлопных газов или с помощью теплового аккумулятора. Поэтому эксплуатационный КПД КЭУ может достигать 40.45 %.
В 1989-1991 гг. на кафедре «Локо-мотивостроение» Харьковского политехнического института проводились НИОКР по созданию аккумуляторных локомотивов (ЛТМ1) для
нужд металлургической промышленности по заказу транспортного управления Минчермет и Минмет СССР. Широкие технико-экономические исследования подтвердили высокую эффективность аккумуляторных локомотивов и позволили определить наиболее перспективное направление совершенствования СУ для них.
Несмотря на то, что наиболее энергоемким в настоящее время является тепловой аккумулятор с фазовым переходом, наилучшие показатели получены для локомотива с пневматическим аккумулятором. Для аккумулятора с фазовым переходом, кроме сосуда высокого давления, требуется еще теплоизоляция. Расчеты показали, что для обеспечения работы локомотива в режиме тепловоза ТГМ6 на металлургическом предприятии в течение 12 ч необходимо иметь на борту пневматический аккумулятор объемом не менее 16 м3 с начальным давлением 15 МПа (150 кг/см2). Найденные компоновочные решения позволили вписаться в габариты тепловоза ТГМ6 при сохранении нагрузки на ось. Применение композитных баллонов вместо стальных позволяет увеличить давление в пневматическом аккумуляторе до 25.32 МПа и выше и соответственно увеличить энергоемкость.
Установкой первичного двигателя-компрессора мощностью 441 кВт обеспечивается необходимая автономность локомотива. Наилучшие показатели получены для СПДК, у которого выпускные газы и сжатый воздух срабатываются на одной и той же поршневой расширительной машине (РМ). Эффективность еще больше возрастает, если продукты сгорания после РМ подогревают сжатый воздух. Среднеэксплуатацион-ный КПД локомотива ЛТМ1 составил пэ=0,409 при ПеСпД = 0,496. Работа в закрытых помещениях осуществля-
ется только на сжатом воздухе.
Применение СПД в качестве первичного двигателя-генератора в КЭУ является логичным шагом дальнейшего повышения всего комплекса технико-экономических показателей КЭУ. Вне зависимости от области применения СПД обладают следующими проверенными на практике достоинствами:
• организация и условия протекания рабочего процесса в СПД обеспечивают высокие КПД и динамические показатели при отсутствии дымления (преимущества свободного поршня в дизеле заключаются в оптимальном теплоподводе, отсутствии ограничений на жесткость и максимальное давление цикла, высоком механическом КПД, незначительном до 10 % провале коэффициента избытка воздуха при набросе нагрузки);
• многотопливность, возможность применения низкосортных, синтетических и альтернативных топлив (свобод-нопоршневая камера сгорания по этому показателю существенно превосходит и дизели, и ГТД);
• динамическая уравновешенность, отсутствие вибраций и фундамента;
• простота, надежность и технологичность конструкции;
• низкие затраты при эксплуатации и ремонте;
• высокие пусковые качества при низких температурах;
• благоприятная тяговая характеристика;
• возможность отключения одного или нескольких СПД без остановки остальных;
• возможность повышения давления наддува и максимального давления сгорания;
• удобство компоновки в пространстве, модульный принцип компоновки.
Этими преимуществами объясняется очередной всплеск интереса к СПД [7, 8]. К сожалению, повторение
ошибок прошлого и традиционный для ДВС подход к синтезу СПД быстро погасят энтузиазм исследователей и инвесторов. Из практики известно, что для СПД не всегда удается найти приемлемое (прежде всего, по эффективности и надежности) решение. Широкое применение нашли лишь устойчивые саморегулирующиеся системы (свайные дизель-молоты, СПДК и т.п.). Наиболее противоречивые мнения существуют о газотурбинной установке со свободнопоршневым генератором газа (ГТУ с СПГГ). А.С. Ор-лин и М.Г. Круглов указывали [9] на недостатки ГТУ с СПГГ, обусловленные следующими трудностями:
• обеспечение тепловой стойкости деталей поршневой группы, работающей при повышенных давлениях в цилиндре;
• организация процессов газообмена и смесеобразования в специфических условиях свободного движения поршней;
• регулирование и автоматизация управления СПГГ;
• достижение эффективной работы самодействующих клапанов поршневых компрессоров при высокой цикличности;
• обеспечение надежной работы механизмов синхронизации;
• уменьшение износа основных движущихся деталей;
• снижение уровня шума при работе двигателя;
• равномерное распределение масла по рабочим поверхностям.
Кроме того, ряд авторов указывает на такие недостатки, как низкая экономичность [10], сравнительно низкие массогабаритные показатели [11], сложность доводки [12], сложная топливная аппаратура [11].
Одно только сравнение преимуществ и недостатков обнаруживает противоречия. В настоящее время все недостатки либо преодолены,
либо отпали в процессе общего развития двигателестроения.
Последние достижения в области теории рабочего процесса комбинированных энергетических установок [13] указывают на перспективность СПД в составе СУ. Диаграмма возможных режимов работы СПД в составе КЭУ [13] позволяет выбрать оптимальные параметры рабочего процесса, произвести сравнительную оценку эффективности различных типов комбинированных энергоустановок и объяснить причины многих неудач при создании СПД. К числу наиболее существенных ошибок относятся:
• необоснованный выбор параметров номинального режима;
• переход на постоянный ход поршня с форсированием дизеля СПД;
• завышенное соотношение диаметров компрессорного и дизельного поршней;
• нерациональная схема газообмена;
• нерациональный выбор расширительной машины.
Корректная постановка вопроса экономичности СУ не ограничивается сравнением расхода топлива в стендовых условиях, а включает все составляющие эксплуатационных затрат (в частности, эксплуатационный КПД и цену топлива), причем отпадает необходимость в производстве жидких топлив из газов, так как СПД обеспечивают наиболее эффективную работу на газе с воспламенением от сжатия.
Сравнение массогабаритных показателей СУ при одинаковом давлении наддува некорректно, поскольку область рационального использования ГТУ с СПГГ лежит по давлению наддува существенно выше, чем у кривошипных дизелей. Сравнение же показателей при одинаковых коэффициенте избытка воздуха для сгорания и доле потерянного хода по окнам
вообще лишено смысла, так как массо-габаритные показатели СПГГ от этих параметров не зависят [14], что, кстати, существенно упрощает доводку.
В построенных конструкциях механизма синхронизации не учтены особенности его работы под действием реальных нагрузок. Топливная аппаратура аккумуляторного типа в настоящее время это уже не недостаток. Шум всасывания был обусловлен особенностями конструкции воздушного тракта и, прежде всего, резонансным наддувом, который в настоящее время применяется лишь на гоночных автомобилях. Применение самодействующих клапанов обусловлено их простотой, поэтому ресурс обеспечивается их заменой при соответствующем техническом обслуживании. Применение приводных клапанов увеличивает ресурс и КПД, но одновременно и стоимость.
Не менее важную проблему для построенных СПД создает их узкая специализация. Поэтому производственные издержки оказываются существенно выше, чем в ДВС серийного производства. Для сокращения издержек необходимо создавать класс свободнопоршневых машин с единым конструктивным исполнением (например, СПДК, автономный наддувочный агрегат, свободнопоршневой дизель-гидронасос и т.д. в едином модуле). Модульный принцип компоновки также снижает издержки. Этому же способствует снижение установленной мощности в гибридных СУ и правильный выбор РМ.
В общем случае СПД в КЭУ может использоваться в двигательном, генераторном или комбинированном режимах. При мощности выше 100 кВт генераторный режим предпочтительнее [15], поэтому далее рассматриваем СУ, состоящую из СПД, РМ и турбокомпрессора (серийный). В качестве тягового двигателя для диапазона
мощностей до 3 МВт наиболее рациональна (по КПД и стоимости) объемная расширительная машина (ОРМ).
Объем и масса ОРМ зависят от давления рабочего тела на входе, быстроходности и глубины регулирования по крутящему моменту. ОРМ для непосредственной передачи крутящего момента на осевые редукторы с запасом крутящего момента 11. 14 по тяговой характеристике получается громоздкой и существенно снижает объем пневматического аккумулятора. Разбивка тяговой характеристики на два диапазона (как у тепловозов типа ТГМ) позволяет уменьшить объем ОРМ в 3-4 раза. С учетом условий эксплуатации маневрового локомотива (доля времени и средняя скорость движения) при равном ресурсе основных узлов и агрегатов предпочтительны быстроходные РМ с понижающим редуктором.
С целью снижения производственных и эксплуатационных издержек рационально КЭУ выполнять из нескольких модулей. Необходимая проектная мощность локомотива обеспечивается установкой с соответствующим числом модулей. С точки зрения повышения ресурса и эксплуатационного КПД (за счет отключения модулей) рационально увеличивать число модулей кратно позициям контроллера машиниста. Современная автоматика справляется с задачей запуска и вывода на режим модулей в соответствии с положением контроллера машиниста и уровнем зарядки аккумуляторов. Очевидно, что в этом случае суммарный ресурс увеличивается пропорционально доле холостого хода и числу модулей.
На маневровых локомотивах применяются дизели мощностью от 294 (ТГМ23) до 1472 кВт (ТЭМ7). Кроме того, в карьерах применяют тяговые агрегаты смешанного типа (ОПЭ1), состоящие из тепловозной и электро-
возной секций, способных развивать мощность 6610 кВт. Эту мощность плюс 10 %, необходимые для собственных нужд, можно разделить на две секции тепловоза. Если разместить все 7,3 МВт в одной секции, то для использования этой мощности для тяги локомотив следует сочленять с бустером или моторным думпкаром. При этом весь диапазон мощностей тягового подвижного состава перекрывается модулем одной размерности, что существенно повысит эффективность эксплуатации состава.
На рис. 1 и 2 приведены тяговые характеристики и КПД тепловоза ТГМ6В. Максимальная входная мощность в гидропередачу при штатной комплектации составляет 819 кВт при касательной мощности 630 кВт. Для обеспечения этой мощности достаточно ОРМ мощностью менее 698 кВт, так как в передаче отсутствуют гидротрансформаторы и связанные с ними потери.
Мощность первичного двигателя КЭУ подбирается по различным принципам. Можно устанавливать двигатель по максимальному, известному из практики, коэффициенту использования мощности, а все тяговые режимы обеспечивать за счет накопителей энергии с первоначальной их зарядкой при экипировке. Возможен вариант аналогичный предыдущему, но без учета режимов холостого хода в коэффициенте использования мощности. В описанных случаях мощность первичного двигателя составит 20.60 % от ныне применяемых. Остальные режимы должны обеспечить накопители энергии. Другой подход - при заданной энергоемкости накопителя и максимальной длительности номинального и близких режимов определяется избыточная в эксплуатации мощность первичного двигателя. Минимальная емкость накопителя определяется из расчета полной рекуперации энергии
А. т
20
15
10
1 ! \1
Л ■ я ■ ■ к * \ ф
\ 1 V» V
• * л -'У, 2 \ .........J
^ т ""Кх. г ¡»V
10 20 30 40 50 60
70 80 , км/ч
Рис. 1. Зависимости касательной силы тяги (Рк) от скорости тепловоза Ут: 1,2 - штатная комплектация с дизелем 7-6Д49 (мощность 882 кВт, габаритный объем 12,5 м3); 3,4 - КЭУ (габаритный объем 1,5 м3)
0,1 Т)т
0,35
0.3
В,25
0,2
0,15
0,1
« т * II»1, К 1
4 # 1 I * г
1 у я . 2 V
■ * » » •
» * * 1 \
V • • 4 > \
■
7 8
Ут.км'ч
Рис. 2. КПД тепловоза: 1 , 2, 3, 4 - см. рис. 1
торможения с учетом максимальной массы состава и условий эксплуатации локомотива.
За счет уменьшения тепловых потерь в систему охлаждения и установленной мощности СПД уменьшается объем и мощность потребителей системы охлаждения. С применением СПД отпадает необходимость в специальном тормозном компрессоре, так как производительность компрессоров СПД на режимах более 6 % номинальной мощности превышает номинальную производительность применяемых тормозных компрессоров, а объем воздуха в пневматическом аккумуляторе на один-два порядка превышает запас тормозного воздуха в главном резервуаре. Запуск СПД пневматический, поэтому емкость и число аккумуляторных батарей существенно снижаются, а их срок службы увеличивается. Все перечисленное увеличивает пространство для размещения ПГ.
С точки зрения увеличения ресурса главной тяговой ОРМ для обеспечения дополнительных нужд на холостом ходу рационально применять вспомогательную ОРМ, питаемую от работающего модуля или от пневматического аккумулятора.
Для КЭУ с СПД в генераторном режиме среднеэксплуатационная мощность тепловоза должна соответствовать максимуму КПД по нагрузочной характеристике, то есть номинальная мощность СПД не должна превышать 50 % установленной мощности штатного дизеля.
При замене дизеля тепловоза ТГМ6В на КЭУ в габаритах моторного отделения дизеля размещается КЭУ (объем 1,5 м3, масса до 1,2 т) и остается 11 м3 пространства для размещения запаса ПГ, пневматического аккумулятора и теплового аккумулятора-регенератора.
КПД газопоршневых двигателей не превышает 0,43 (ограничение по
условиям детонации), а у КЭУ с СПД, работающем на газе с воспламенением от сжатия, - не менее 0,5 [15], что обеспечивает снижение расхода ПГ на 14.17 % по сравнению с расходном на оптимальном режиме газопоршневого ДВС. ОРМ, входящая в состав КЭУ, обеспечивает необходимую тяговую характеристику без гидротрансформаторов или электропередачи, что обеспечивает снижение расхода топлива еще на 14. 15 %. Рекуперативное торможение позволяет снизить эксплуатационный расход топлива до 23 %.
Следовательно расход ПГ можно снизить на 50 % или в 2 раза по сравнению с расходом традиционных ДВС, то есть для сохранения запаса хода на ПГ криогенного бака в габаритах штатного бака для дизтоплива будет достаточно. Для размещения КПГ на тепловозе необходимо еще 9 м3 пространства, то есть свободными остаются не менее 2 м3 пространства.
Для развития полной мощности КЭУ (700 кВт) в течение 30 мин требуется 6,3 баллона вместимостью 400 л с давлением 25 МПа при срабатывании всего перепада давлений без дросселирования. При работающем СПД потребуется не более 3 баллонов. Следовательно, на ТГМ6В имеется достаточно места для размещения пневматического аккумулятора и КПГ.
В случае дизель-поезда массой 260 т (4 вагона) типовой тяговый расчет показывает, что при касательной мощности 640 кВт (мощность по дизелям 1010 кВт) поезд разгоняется до скорости 100 км/ч за 4,1 мин и проходит при этом расстояние 4,8 км. Для обеспечения данного режима только на сжатом воздухе потребуется 2 или 3 баллона вместимостью 400 л соответственно с давлением 32 или 25 МПа. При длине санитарной зоны 1 км потребуется один баллон. Отсутствие вибрации и малая высота
агрегатов позволяют размещать КЭУ и железнодорожного транспорта. Совре-
под вагоном дизель-поезда, за счет чего менные апробированные технические
можно увеличить число пассажирских решения позволяют поднять эксплуата-
мест. ционный КПД транспортных СУ выше 67
Таким образом, применение КЭУ на 40 %, эффективный выше 51.56 %, сни-
базе СПД позволяет улучшить весь ком- зить объем силовой установки до уров-
плекс технико-экономических показате- ня, достаточного для размещения необ-
лей СУ различного назначения и решить ходимого запаса природного газа, в том
назревшие проблемы двигателестроения числе компримированного.
_ Литература
1. Газотурбовоз ГТ-101 мощностью 3000 л.с. со свободнопоршневыми генераторами газа и гидравлической передачей. - Луганск: областное изд-во, 1961. - 16 с.
2. Синенко Н.П., Струнге Б.Н., Резник И.И. Тепловозный дизель Д70. -М.: Транспорт, 1966. - 64 с.
3. Хачиян А.С. Применение различных топлив и энергетических установок в автомобилях будущего // Двигателестроение. - 2004. - № 1. - С. 28-32.
4. Дубровин В.Ю. Комбинированные энергетические установки транспортных машин с рекуператорами. - М.: изд-во НИИстандартавтосельхозмаш, 1991. - 61 с., ил.
5. Глаголев Н.М. Тепловозы. - М.: Трансжелдориздат, 1948. - 388 с.
6. Савенков А.М. Исследование комбинированных силовых установок городских автобусов с бесступенчатой передачей / Природный газ в качестве моторного топлива. Транспортирование, компримирование и использование газа. - М.: ВНИИГАЗ, 1997. - С. 135-143.
7. Кецарис А.А., Духанин В.И. Линейный генератор с двигателем внутреннего сгорания со свободным поршнем // Транспорт на альтернативном топливе. -2011. - № 6 (30). - С. 42-48.
8. Mikalsen R., Roskilly A.P. A review of free - piston engine history and applications. This is a preprint version // Applied Thermal Engineering. - 2007. - Volume 27, Issues 14-15. - Р. 2339-2352.
9. Орлин А.С., Круглов М.Г. Комбинированные двухтактные двигатели. -М.: Машиностроение, 1968. - 576 с.
10. Нигматулин И.И. Рабочие процессы в турбопоршневых двигателях. -М.: Машгиз, 1962. - 315 с.
11. Чаромский А.Д. Некоторые проблемы создания турбопоршневых двигателей и пути ускорения их доводки // Изв. ВУЗов «Машиностроение». - 1962. -№ 1. - С. 14-19.
12. Васильев В. Д., Соложенцев Е.Д. Кибернетические методы при создании поршневых машин. - М.: Машиностроение, 1978. - 120 с.
13. Иващенко Н.А., Петров П.П. Всеядный двигатель. Диаграмма возможных режимов работы комбинированных энергоустановок // АГЗК+АТ. - 2009. -№ 4 (46). - С. 3-8.
14. Петров П.П. Свободнопоршневые двигатели - проблемы и перспективы // Двигателестроение. - 1988. - № 4. - С. 3-5.
15. Савицкий А.И., Петров П.П., Савенков А.М. и др. Выбор гибридной силовой установки мобильных транспортных средств // Транспорт на альтернативном топливе. - 2011. - № 5 (24). - С. 62-66.
