CC BY
67
BucTOHHu-fcBpunencKun журнал передивын TeHHunuruO ISSN 1729-S774
------------------□ □--------------------
Завдання - визначення технічних, технологічних, екологічних та
економічних аспектів розвитку форсованих дизелів, у першу чергу, для тепловозів. Визначені напрями розвитку дизелів -термодинамічне і екологічне удосконалення, використання електронних систем управління, теплозахисні покриття, застосування добавок до вуглецевоводне-вих палив, альтернативні палива
Ключові слова: форсований дизель, поршень, спирти, водень
□--------------------------------□
Задача - определение технических, технологических, экологических и экономических аспектов развития форсированных дизелей, в первую очередь, для тепловозов. Определены направления развития дизелей - термодинамическое и экологическое совершенствование, использование электронных систем управления, теплозащитные покрытия, применение добавок к углеводородным топливам, альтернативные топлива
Ключевые слова: форсированный
дизель, поршень, спирты, водород ------------------□ □--------------------
УДК 539.3: 621
перспективы развития форсированных ДИЗЕЛЕЙ
A. К. Олейник
Кандидат технических наук, ведущий инженер-технолог Центральная заводская лаборатория Государственное предприятие «Завод им. В.А. Малышева» ул. Плехановская, 126, г. Харьков, Украина, 61000
B. Г. Гончаров Кандидат технических наук, директор
Частная научно-исследовательская коммерческая фирма «тАВИ» ул. 50-летия СССР, 34, кв.3, г. Харьков, Украина, 61060
E-mail: [email protected] Э. К. Посвятенко Доктор технических наук, профессор, Кафедра «Изготовление, ремонт и материаловедение», Национальный транспортный университет, ул. Суворова, 1, г. Киев, Украина, 01010 E-mail: [email protected]
1. Введение. Состояние вопроса. Постановка задачи
Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) являются одними из самых распространенных и освоенных тепловых двигателей, причем они составляют основу мобильной энергетики - от мотопеда, автомобиля, трактора до тепловоза, корабля и самолета. За время развития ДВС его экономичность возросла более чем в 2 раза, однако эффективный КПД, несмотря на достижения последних лет, составляет не более 32...35% для двигателей с искровым зажиганием и 40.42% для дизелей.
Украина является второй по площади территори европейской державой с развитой сетью железных дорог. При этом, несмотря на электрификацию последних, тепловозы остаются и останутся в ближайшем будущем важным средством тяги. В настоящее время на железных дорогах Украины широко используется пассажирские, магистральные, маневровые, а также ведомственные (внутризаводские) тепловозы. Основным двигателем отечественных тепловозов является мощный (форсированный) дизель - поршневой ДВС. Дизель потребляет, как известно, жидкое топливо -продукт переработки ископаемых углеводородов, нехватка которого ощущается уже сейчас.
Поэтому целью настоящего аналитического исследования является развитие форсированных дизелей в направлении повышения их ресурса и экологичности, эффективности использования топлива, поиска альтернативных топлив. Исследование построено на
изучении открытых источников отечественной, в том числе и авторов, и зарубежной научной и научно-технической литературы [1-3].
2. Результаты исследования
Установлено, что в настоящее время следует выделить три основных направления развития форсированного дизеля:
- термодинамическое совершенствование двигателя в части повышения эффективности систем возду-хоснабжения, смесеобразования, сгорания, выхлопа, рациональной конструкции и долговечности поршней, колец, гильз цилиндров, газораспределительного и клапанного механизмов, шатунов и коленчатых валов;
- разработка и внедрение мероприятий по снижению выбросов вредных веществ в окружающую среду;
- электризация ДВС - от электронного управления двигателем до использования электрофизикохимических технологий.
По первому направлению основные мероприятия следующие: применение турбокомпрессоров с КПД 0,6...0,7 со спиральными лопатками компрессоров, как свободных, так и с активным подводом энергии; для улучшения смесеобразования применение 8-ми и 16-ти клапанных головок цилиндров; увеличение давления впрыска топлива до 150.200 МПа с управлением подачей в зависимости от нагрузки; обеспечение оптимальных форм камеры сгорания; под-
держание оптимального температурного состояния двигателя; поддержание оптимальной температуры надувочного воздуха; реализация цикла Мюллера и регенеративного цикла, обеспечивающего увеличение КПД на 8.10%; применение водотопливных эмульсий и парогазовых процессов; применение адиабатизации, турбокомпаундирования и систем утилизации теплоты, обеспечивающих снижение расхода топлива на 26.35%; снижение механических потерь за счет повышения точности изготовления; применение поршневых колец с напылением и подшипников скольжения с эффективными антифрикционными материалами, а также распредвалов с упрочненными кулачками и коленчатых валов с упрочненными шейками; применение масляных систем двигателей по типу «Бол-Кирх» (Германия), обеспечивающих непрерывную очистку масла с удалением грязи и контролем показателей масла, что обеспечивает увеличение ресурса и повышение экономичности на 1.2%.
По 2-му направлению основные мероприятия такие: обеспечение по всей зоне эксплуатационных нагрузок коэффициента избытка воздуха 1,9...2,2, что обеспечивает снижение N0^ применение гибридных силовых установок с накопителями энергии при движении в городских условиях и на маневровой работе, обеспечивающих снижение расхода топлива и выброс вредных веществ на 15.40%; применение нейтрализаторов выхлопных газов, что снижает выбросы вредных веществ до 8.10%; применение присадок к топливу, обеспечивающих снижение выбросов вредных веществ на 5.6%; снижение расхода топлива и масла; применение безуглеродных топлив на основе азотных соединений, а также водорода, что исключает выброс парниковых газов (в основном СО2) и снижение выбросов окислов азота.
По 3-му направлению основные мероприятия следующие: применение электронных регуляторов и информационно-диагностических систем мониторинга работы двигателей, что обеспечивает новые возможности по экономичности и экологии - снижение расхода топлива на 2.5% и выброс ВВ на 10.15%; применение электронного управления подачей топлива в зависимости от нагрузки и соотношения «топливо-воздух» и аккумуляторов давления («Комэн Рейл») с регулируемыми форсунками с пьезоэлементами («Бош»), обеспечивающими фазный впрыск, обеспечивает снижение расхода топлива до 7% и выбросов ВВ; применение регулируемого фазо-газообмена совместно с электронным управлением подачей топлива и информационно диагностической системой обеспечивает оптимальные параметры цикла, воздухоснабжения, смесеобразования и сгорания в цилиндре - снижение расхода топлива до 8% и образование ВВ до 15%; электронные модификаторы и структуризаторы топлива, воздуха на базе редкоземельных металлов и электромагнитных активаторов, ультротонких структур обеспечивает активацию топлив и воздуха, что снижает расход топлива до 20% и выбросы ВВ до 10.15%; нанесение теплозащитных покрытий увеличивает срабатывание располагаемого тепла в полезную работу до 5%, улучшает теплобаланс двигателя и уменьшает потери на охлаждение до 10%; электрофизическое
упрочнение нагруженных деталей силовых механизмов двигателя (ЦПГ, КШМ, ГРМ, топливной аппаратуры) обеспечивает увеличение их долговечности в 1,5.2 раза.
Развитие двигателестроения идет также по линии внедрения параметрических и унифицированных рядов двигателей.
Параметрические ряды состоят из двигателей с тем же числом и расположением цилиндров, но с другим диаметром и ходом поршня. Унифицированные ряды состоят из двигателей с одинаковыми размерностями поршня и хода, но с различными числами и расположением цилиндров. Смешанные ряды сочетают то и другое, т.е. каждый член параметрического ряда имеет свой унифицированный ряд.
Заводы ГП «Завод им. Малышева» и ОАО «Коломенский тепловозостроительный завод» приняли в практику работ направление унифицированных мощностных рядов Д80 и Д49, на фирмах Пильстик такой же подход. Фирма MAN, MTU разработали смешанные ряды.
Большинство унифицированных мощностных рядов (УМР) имеют 4, 6, 8, 9-ти цилиндровые рядные модификации 8, 12, 16 и 18-ти цилиндровые V-образные модификации (табл. 1).
Дизели, находящиеся в серийном производстве, как правило, многоцелевые - тепловозные, судовые, стационарные. Для судовых двигателей по сравнению с тепловозными модификациями мощность и частоту вращения снижают на 10-25%. Для стационарных двигателей при непрерывной работе 24 часа в сутки мощность снижают также до 75-90% от номинальной, но вводится режим перегрузки на 10% не более 1 часа за 10 часов.
На базе модификаций УМР-дизелей целесообразно разработать газодизели и двигатели, приспособленные для работы на тяжелых сортах топлив с высокими показателями унификации.
В УМР-дизелей есть базовая модель двигателя, на которой достигнуты определенные показатели форсировки и выполнены доводочные работы, обеспечивающие показатели надежности, подтвержденные эксплуатационными испытаниями.
Для УМР-дизелей Д80 - базовой моделью является двигатель 1Д80 мощностью 4000 л.с. в 16 цилиндрах (250 л.с./цилиндре) при 1000 мин-1 с Ре=1,57 МПа и РеСт =14,13 (Ст = 6,75 м/с), для 750 мин-1 - Ре может быть допустимо до 2,1 МПа.
Перспективным направлением в двигателестрое-нии является применение альтернативных топлив, в основном газообразных. Наряду с природным газом, возможно использование шахтного газа, биогаза, генераторного газа, газа малодебитных скважин, сланцевого газа в когенерационном цикле с газовыми двигателями типа 11ГД100МЗ и 17ГД101А.
При конвертации двигателя на газ следует обеспечить высокий коэффициент унификации с базовым двигателем, достичь приемлемых его значений при минимальном изменении конструкции базового двигателя. Основные изменения систем двигателя связаны с изменением топливной системы и введением системы зажигания.
Е
таблица 1
тепловозные дизели и дизель-генераторы унифицированного мощностного ряда Д80
Наимено- вание параметров Ед.изм. 16 ЧН 26/27 - V-образные 12 ЧН 26/27 - V-образные 6 ЧН 26/27 - рядные
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Заводское обозначение - 1Д80А 1Д80Б 1Д80В 1Д80Д 2Д80А 3Д80А 3Д80Б 4Д80А 4Д80Б 4Д80В 4Д80Г 4Д80Д 10Д80А 10Д80Б 10Д80В 10Д80Г
Агрегатная мощность кВт 2940 2206 2940 2206 3500 4410 4410 2206 993 882 882 1470 1178 552 736 1472
л.с. 4000 3000 4000 3000 4760 6000 6000 3000 1350 1200 1200 2000 1600 750 1000 2000
Цилиндровая мощность кВт 184 138 184 138 219 275 255 184 83 74 74 122 196 92 122 245
л.с. 250 188 250 188 298 375 347 250 113 100 100 167 267 125 167 333
Частота вращения мин-1 1000 1000 1000 750 1000 1000 1000 1000 750 750 1000 750 1000 750 750 1000
Среднее эффективное давление МПа 1,57 1,17 1,57 1,57 1,87 2,35 2,18 1,57 0,94 0,84 0,63 1,39 1,67 1,05 1,39 2,09
Удельный расход топлива дизелем в услов. объекта г/кВтч 201+10 204+10 201+10 0 2 201+10 197+10 181+10 201+10 201+10 204+10 212+10 197+10 201+10 200+10 197+10 197+10
г/л.с. ч 148+7 150+7 148+7 150+7 148+7 145+7 133+7 148+7 148+7 150+7 156+7 145+7 148+7 147+7 145+7 145+7
по ^О г/кВтч 190 193 190 193 190 187 177 190 195 198 201 190 190 193 190 187
г/л.с. ч 140 142 140 142 140 138 130 140 143 145 148 138 140 142 139 138
Топливо - Дизельное топливо по ГОСТ 305-82 или топливо, согласованное с изготовителем дизеля
Удельный расход масла на угар г/кВтч 1,6+0,4 1,6+0,4 1,6+0,4 1,6+0,4 0,95+0,4 0,95+0,4 0,95+0,4 1,6+0,4 1,36+0,4 1,36+0,4 1 77+0,4 1,36+0,4 1,6+0,4 1,36+0,4 1,36+0,4 0,95+0,4
г/л.с. ч 1,2+0,3 1,2+0,3 1,2+0,3 1,2+0,3 0,7+0,3 0,7+0,3 0,7+0,3 1,2+0,3 1,0+°,3 1,0+°,3 1,3+0,3 1,0+0,3 1,2+0,3 1,0+°,3 1,0+0,3 0,7+0,3
Масло - Моторное масло М14 В2 ГОСТ 12337-84 или масло, согласованное с изготовителем дизеля
Габариты дизеля длина мм 5325 5325 5325 5325 5462 5462 5462 4635 3990 4635 4635 4635 3830 3830 3830 3830
ширина мм 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1615 1715 1715 1715 1715
высота мм 3193 3193 3193 3193 3193 3193 3193 3100 2840 3100 3100 3100 2330 2330 2330 2330
Масса дизеля (с поддизель-ной рамой) кг 24655 23715 24655 23715 24941 25146 25146 18400 22500 18400 18000 18400 12800 12800 12800 12800
Масса генератора и электромашин (ориентировочно) кг 9400 9400 9400 9400 10500 10500 10500 9400 - 6500 - 6500 6100 6100 6100 6100
Навешенное оборудование - Турбокомпрессор, холодильник надувочного воздуха, масляные и водяные насосы, тахометр, регулятор, фильтр тонкой очистки топлива, центробежный масляный фильтр, сетчатый МФ, др. оборудование - поставка комплекта с дизелем по согласованию
Специальные системы - ТК+ПТК ТА і і і ТК+ПТК ТК+ПТК СУТ, ТА ТК+ПТК ТА - - - - ТА - - ТК+ПТК ТА
Обозначение тепловоза - новые теплов. грузов. РЭН ТЭ116 РЭН ТЭ121 ТЭП70 РЭН ТЭП60 новый ПАС перспект. образец перспект. с СУТ перспект. для нов. теплов. 3 НЭ РЧ НМ2 £■1 НМ6 2| Н2 £ РМ 2 НЭ РЧ НМ1 перспект. образец
3
В газовых двигателях применяют внешнее и внутреннее смесеобразование. При внешнем смесеобразовании газ подается в воздушный ресивер или перед турбокомпрессором. В этом случае коэффициент наполнения в цилиндре падает, т.к. в свежий заряд входит и газ.
При внутреннем смесеобразовании газ под давлением 0,5...0,7 МПа подается непосредственно в цилиндр в момент, когда органы газораспределения почти закрыты и на такте сжатия. Этот метод применим для двухтактных дизелей и для четырехтактных с продувкой (фаза перекрытия клапанов до 125°), так как исключает попадание газа в выпускной коллектор и обеспечивает взрывобезопасность.
Как добавки к дизельному топливу следует использовать метанол и этанол, которые получают из углей (25% от веса) или из метана.
Метанол применяется в смесях с бензином до 10.15%. Этот спирт разъедает некоторые сорта резин и прокладочных материалов, а также активно разъедает металлы. Утечки могут привести к потере сознания человека вследствие отравления. Применяется метанол с дизтопливом (до 15%), но при этом полная мощность без изменения регулировки топливного насоса не может быть достигнута, как это имеет место при применении 10%-ной добавки этанола в дизтопливо на двигателях Д100. Возможно использование метанола в двухтопливном питании дизеля с раздельной подачей разными форсунками в камеру сгорания: метанола 95% и зажигающей порции дизтоплива, расход которого на всех режимах остается практически постоянным, т.к. зависит от конструкции топливного насоса.
Поскольку этанол имеет плохие смазывающие свойства, применять его в плунжерах ТНВД без присадок невозможно. Разрабатываются и другие типы насосов, например, диафрагменные.
Водород - один из наиболее перспективных видов топлива, как для современных и перспективных силовых установок, так и для энергетики будущего. Водород может быть получен из воды методом термодиссоциации последней. Термоядерный реактор при мощности 10 млн. кВт может вырабатывать до 1 млн.т водорода в год. Плотность этого газа мала, а объемные энергетические характеристики на 15% ниже, чем у нефтяных топлив. Большие скорости сгорания при а=1 обуславливают высокую жесткость процесса сгорания, а при а >1,5 скорость сгорания снижается. Наиболее сложная задача - хранение водорода. Сжижение
последнего требует затрат до 45% от его энергии, а также сложной и дорогой экранно-вакуумной изоляции при хранении. Альтернативной системой хранения водорода является использование энергоносителя на основе гидридов некоторых металлов (Mg, Fe, Т^ К и др.). При его пропускании через порошки металлов образуются гидриды и выделяется теплота, которую следует отводить. При подогреве гидридного порошка водород выделяется и подается в цилиндр. Гидридные аккумуляторы взрывобезопасны. Масса топлива на одинаковый пробег при этом в 4 раза больше, чем у дизельного топлива.
3. Выводы
Мировое развитие дизелестроения для тепловозов, судов и мощных стационарных установок, на которые должна ориентироваться и Украина, как держава с многолетним опытом в данном направлении, предполагает следующее развитие этих агрегатов. Что касается конструкции, то это термодинамическое совершенствование двигателя, экологические мероприятия, а также использование электротехнологий широкого спектра от электронных систем до теплозащитных PVD и CVD-покрытий детали. Развитие дизелестрое-ния идет также по направлению создания параметрических (с тем же числом и расположением цилиндров, но с другими размерами поршня), унифицированных (с одинаковыми размерами поршня, но с различными числами и расположением цилиндров) и смешанных размерноподобных рядов.
Целесообразно также разрабатывать газодизели и двигатели, приспособленные для работы на тяжелых топливах. Как добавки к дизтопливу перспективны спирты - метанол и этанол. Наиболее приемлемым видом топлива для перспективных силовых установок и энергетики будущего в целом является водород, однако существуют проблемы с его хранением. На сегодня наилучшей системой хранения являются гидриды магния, железа, титана, калия.
Эффективность форсированных дизелей будет и в дальнейшем определяться экономичностью, экологичностью и долговечностью, а это новые наукоемкие энерготехнологии и новые материалы с высокими физико-химическим свойствами. Их применение обеспечит значительную экономию топлива и улучшение экологии.
Литература
Пленочное охлаждение плоской поверхности двухрядной системой отверстий в сферических углублениях [Текст] / А.А. Халатов, И.И. Борисов, А.С. Коваленко и др. // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харьков. - 2012, № 3/10 (57). - С. 4-8.
Суворов Н.П. Формирование оптимальных систем энергопреобразования на основе использования принципов гармонии и целостности [Текст] / Н.П. Суворов, И.Г. Суворова, О.В. Кравченко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харьков. - 2011, № 3/10 (51). - С. 44-46.
Посвятенко Е.К. Поліпшення надійності важких транспортних машин технологічними методами [Текст] / Е.К. Посвятенко, С.О. Кравченко, Н.І. Посвятенко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - Харьков. - 2010, № 3/3 (45).
- С. 63-66.
I 53
