CC BY
76
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 621.436:629.421
А. В. Муратов, А. Ю. Балакин, Д. С. Бардин, В. С. Целиковская, Л. С. Курманова
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ СЕРИИ Д49 ПУТЕМ ПЕРЕВОДА НА ГАЗОМОТОРНОЕ ТОПЛИВО
Дата поступления: 01.12.2018 Решение о публикации: 28.01.2019
Аннотация
Цель: Изучение влияния на работу дизелей тепловозов использования природного газа в качестве моторного топлива. Выявление основных преимуществ применения природного газа в двигателях внутреннего сгорания. Анализ влияния газомоторного топлива на показатели работы силовых установок тепловозов. Методы: Применяется моделирование рабочего процесса двух двигателей: первый - на дизельном топливе, второй - на газовой смеси. Производится настройка математической модели по реальным показателям дизеля 1А-5Д49-2, снятым при реостатных испытаниях тепловоза 2ТЭ116. Проводятся расчетно-экспериментальные исследования по оценке влияния полного замещения дизельного топлива природным газом на работу силовой установки тепловоза, накопление расчетно-экспериментальных данных, осуществляются их систематизация и статистический анализ. Рассмотрены: 1) теоретические зависимости изменения удельного эффективного расхода топлива дизелем, работающем на природном газе по газовому циклу от позиции контроллера машиниста; 2) зависимости изменения эффективного коэффициента полезного действия дизеля. Сравниваются расчетные величины при работе дизеля как на природном газе, так и на дизельном топливе. Результаты: Построены зависимости показателей работы дизеля серии 1А-5Д49-2 (16ЧН26/26) тепловоза 2ТЭ116 при использовании газомоторного топлива. Проанализированы полученные данные, позволяющие проводить теоретическую оценку эффективности использования природного газа как газомоторного топлива во всем диапазоне работы дизеля 1А-5Д49-2 (16ЧН26/26) тепловоза 2ТЭ116. Подтвержден вывод о целесообразности и эффективности применения природного газа на железнодорожном транспорте, в частности в дизелях тепловозов. Определено влияние замещения дизельного топлива природным газом на показатели эффективности работы дизелей тепловозов. Практическая значимость: Полученные зависимости помогут в прогнозировании и тео-
ретической оценке целесообразности использования природного газа в качестве моторного топлива локомотивных энергетических установок.
Ключевые слова: Природный газ, метан, газомоторное топливо, удельный расход топлива, дизель, позиции контроллера машиниста
Alexey V. Muratov, Cand. Tech. Sci., associate professor, muratov@samgups.ru; *Andrey Yu. Balakin, Cand. Tech. Sci., associate professor, head of department, balakin@samgups.ru; Denis S. Bardin, postgraduate student, lok@samgups.ru; Valentina S. Tselikovskaya, Cand. Tech. Sci., associate professor, lokodis@mail.ru; Leyla S. Kurmanova, postgraduate student, kurmanova@ mail.ru (Samara State University of Railway Engineering) INCREASING THE EFFICIENCY OF SERIES D49 DIESEL ENGINES BY TRANSFER TO GAS ENGINE FUEL doi: 10.20295/2223-9987-20191-15-23
Summary
Objective: Studying the effect of diesel locomotives on the use of natural gas as motor fuel. Identification of the main advantages of using natural gas in internal combustion engines. Analysis of the effect of gas engine fuel on the performance of diesel locomotive power plants. Methods: Simulation of the working process of two engines: the first - on diesel fuel, the second -on the gas mixture. Adjustment of the mathematical model according to the real parameters of 1А-5Д49-2 diesel engine, taken during the rheostat tests of 2ТЭ116 diesel locomotive. Conducting calculation and experimental studies to assess the effect of the complete replacement of diesel fuel with natural gas on the operation of the locomotive power plant; accumulation of computational and experimental data, their systematization and statistical analysis. Theoretical dependences of the change in the specific effective fuel consumption of a diesel engine operating on natural gas through the gas cycle on the position of the driver's controller, as well as dependences of the change in the effective performance of a diesel engine have been discussed. The calculated values are compared for the diesel engine operating on natural gas and the diesel engine operating on diesel fuel. Results: The calculated dependencies of the performance of Series 1А-5Д49-2 (16ЧН26/26) diesel engine of 2ТЭ116 diesel locomotive with the use of gas engine fuel have been obtained. The obtained data has been analyzed allowing carrying out theoretical estimation of efficiency of natural gas used as gas engine fuel throughout the entire operating range of 1А-5Д49-2 (16ЧН26/26) diesel engine of 2ТЭ116 diesel locomotive. A conclusion was confirmed about the expediency and efficiency of using natural gas in railway transport, particularly diesel locomotives. The influence of replacement of diesel fuel with natural gas on the performance indicators of diesel locomotives has been determined. Practical importance: The obtained dependencies will help in forecasting and in the theoretical evaluation of the feasibility of using natural gas as a motor fuel for locomotive power plants.
Keywords: Natural gas, methane, gas motor fuel, specific fuel consumption, diesel, positions of the driver's controller.
Введение
Железнодорожный транспорт России, выполняя технологические функции перемещения большого объема грузов на значительные расстояния, относится к энергоемким сферам промышленного производства. В то же время развитие и нормальное функционирование экономики нашей страны невоз-
можно без железнодорожного транспорта, основной задачей которого являются удовлетворение народного хозяйства и населения в перевозках, повышение эффективности работы транспортной системы.
На нужды железнодорожного транспорта ежегодно расходуется 5-6 % вырабатываемой в стране электроэнергии и до 6 % дизельного топлива, или в натуральных показателях: свыше 40 млрд кВтч электроэнергии, 3 млн т дизельного топлива, 4,5 млн т угля, до 1 млн т мазута, почти 1 млн м 3 сжатого газа и 170 тыс. т бензина.
Превалирующим энергоносителем для тяги и эксплуатационных нужд в энергобалансе железнодорожной отрасли служит электроэнергия (более 50 %), дизельное топливо составляет 18 %, уголь и мазут - 20 % [1].
Задача уменьшения эксплуатационных расходов дизельного топлива с одновременным снижением выбросов вредных веществ тепловозными дизелями может быть решена только комплексом мероприятий, среди которых использование альтернативных и комбинированных видов топлив [2-4].
Основные преимущества применения природного газа в качестве альтернативы дизельному топливу
Наиболее реальным в настоящее время является использование природного газа. Метан, составляющий его основу, относительно безопасен по сравнению с другими видами топлива. Он не ядовит, значительно легче воздуха и при утечках быстро улетучивается. Другие компоненты природного газа - углекислый газ, азот и другие углеводороды [5-7].
Горючая метано-воздушная смесь должна содержать 5-15 % метана. При большей или меньшей его концентрации она не загорается. Температура воспламенения метана достаточно высока - не менее 718 °С, иными словами, он может воспламеняться только при наличии открытого пламени. С низкой воспламеняемостью метана связаны его антидетонационные свойства, что делает его удобным для использования в качестве моторного топлива, в том числе и для карбюраторных двигателей.
Можно отметить еще некоторые преимущества природного газа как топлива для двигателей внутреннего сгорания. Двигатели, работающие на природном газе, уже сейчас отвечают всем современным нормам по допустимому содержанию газообразных составляющих в выхлопных газах. Твердые составляющие (частицы двуокиси серы и сажа) в выбросах двигателя практически полностью отсутствуют. Выбросы не имеют запаха и не воспринимаются человеком.
Благодаря чистому сгоранию природного газа на деталях двигателя не образуется маслянистый нагар. Моторное масло не загрязняется продуктами сгорания и служит дольше. Детали двигателя, вследствие более мягких
характеристик процесса сгорания газового топлива, испытывают меньшие механические нагрузки. Возрастание давления при горении газа имеет более плавный характер, чем при сгорании дизельного топлива. Этим объясняется и более низкий уровень шума при работе двигателя.
Пробег между заводскими ремонтами работающего на газе двигателя может быть в 2-3 раза больше, чем у двигателя, работающего на дизельном топливе [8-10].
Исследование работы дизеля на сжиженном природном газе
Для оценки влияния замещения дизельного топлива природным газом на показатели эффективности работы дизеля 1А-5Д49-2 (16ЧН26/26) тепловоза 2ТЭ116 в программе Disel-RK был смоделирован рабочий процесс двух двигателей: первый - на дизельном топливе, второй - на газовой смеси. Настройка математической модели в программе Disel-RK осуществлялась по реальным показателям дизеля 1А-5Д49-2, снятым при реостатных испытаниях тепловоза 2ТЭ116. Такой подход позволяет спрогнозировать реальное поведение дизеля при изменении типа рабочего процесса с дизельного на газовый [11, 12]. Для построения математической модели были использованы конструктивные параметры дизеля 1А-5Д49-2 [13-15], приведенные в таблице.
Конструктивные параметры дизеля
Параметр Значение
Диаметр поршня, мм 260
Ход поршня, мм 260
Степень сжатия 13,5
Число цилиндров 16
Номинальная частота вращения, об/мин 1000
Угол опережения впрыска топлива, град 14
Степень повышения давления в компрессорах 2,35
Используя протоколы реостатных испытаний тепловоза 2ТЭ116, а также протоколы численного эксперимента, полученного в программе Disel-RK, были построены зависимости удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала, эффективного коэффициента полезного действия (КПД) от позиции контроллера машиниста, среднего эффективного давления от позиции контроллера машиниста, максимального давления цикла от позиции контроллера машиниста при работе на дизельном топливе.
На рис. 1 представлены зависимости удельного расхода топлива от позиции контроллера машиниста при работе дизеля 1А-5Д49-2 тепловоза
2ТЭ116 на дизельном топливе и сжиженном природном газе. Их анализ показал, что на начальных позициях контроллера машиниста использование сжиженного природного газа ведет к росту удельного эффективного расхода топлива по сравнению с дизельным топливом от 4 до 9 %. Однако с увеличением нумерации позиций картина меняется: начиная с 11-й позиции удельный эффективный расход топлива при работе на сжиженном природном газе снижается с 8 до 12 % в диапазоне позиций 12-15. Это свидетельствует о том, что при идентичных конструкционных параметрах эффективность применения сжиженного природного газа достигается на высоких позициях контроллера машиниста.
0,235
т
т
< 0,23 *
св
| 0,225 с о н
Ч
0 0,22
и ГС
с.
1 0,215 а
£
-е- 0,21 -е-
т >5
I 0,205 £ X,
а >
0,2
12 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Позиции контроллера машиниста
Рис. 1. Зависимости удельного расхода топлива от позиции контроллера машиниста при работе на дизельном топливе (1) и сжиженном природном газе (2)
На рис. 2 приведены зависимости эффективного КПД от позиции контроллера машиниста при работе дизеля 1А-5Д49-2 тепловоза 2ТЭ116 на дизельном топливе и сжиженном природном газе. Их анализ показал, что на всем диапазоне работы дизеля, т. е. на всех позициях контроллера машиниста, использование сжиженного природного газа ведет к уменьшению эффективного КПД от 4 до 8 %. Причиной этого является понижение индикаторного КПД дизеля, которое обусловлено падением максимального давления цикла и, как следствие, снижением удельного эффективного давления в цилиндрах дизеля при применении сжиженного природного газа в качестве газомоторного топ-
Позиции контроллера машиниста
Рис. 2. Зависимости эффективного КПД от позиции контроллера машиниста при работе на дизельном топливе (1) и сжиженном природном газе (2)
лива. Однако, учитывая такое незначительное расхождение, можно сделать вывод об отсутствии потери мощности при переводе дизельных двигателей на газ.
Заключение
Проведенные расчетно-экспериментальные исследования позволяют в целом прийти к выводу о целесообразности и эффективности перевода дизелей тепловозов на природный газ, обусловленных в первую очередь стоимостью данного вида топлива в сравнении с дизельным, а также снижением уровня выбросов вредных веществ силовыми установками. Но существует ряд серьезных трудностей, связанных с изменением конструкции дизеля, а также с выбором оптимального способа подачи природного газа в цилиндры.
Библиографический список
1. Носырев Д. Я. Перспективы и проблемы применения водорода в локомотивных энергетических установках : монография / Д. Я. Носырев, А. В. Муратов, С. А. Петухов. -Самара : СамГУПС, 2014. - 112 с.
2. Носырев Д. Я. Проблемы и перспективы эксплуатации газотепловозов на Куйбышевской железной дороге - филиале ОАО «РЖД» / Д. Я. Носырев, А. В. Муратов, С. А. Петухов, Л. С. Курманова // Вестн. транспорта Поволжья. - Самара : СамГУПС, 2014. - № 5 (47) - С. 20-23.
3. Носырев Д. Я. Основные направления повышения эффективности использования тепловозов / Д. Я. Носырев, А. В. Муратов, С. А. Петухов // Материалы Всерос. науч.-технич. конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов». - Омск : ОмГУПС, 2012.- С. 287-291.
4. Кавтарадзе Р. З. Теплофизические процессы в дизелях, конвертированных на природный газ и водород / Р. З. Кавтарадзе. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 238 с.
5. Носырев Д. Я. Влияние насыщения дизельного топлива метаном на эксплуатационные показатели тепловозных дизелей / Д. Я. Носырев, А. В. Муратов, С. А. Петухов, Л. С. Курманова // Вестн. транспорта Поволжья. - Самара : СамГУПС, 2016. - № 6 (60). -С. 25-28.
6. Переключаемся на газ // Ежедневная транспортная газета «Гудок». - 22.10.2015. -№ 191 (25860). - С. 1-2.
7. Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 г. и на перспективу до 2020 г. - М. : ОАО «РЖД», 2004. - 14 с.
8. Андрончев И. К. К вопросу о применении сжиженного газа в дизельных двигателях маневровых тепловозов / И. К. Андрончев, А. Ю. Балакин, В. В. Петрук, А. Д. Росляков,
B. С. Целиковская // Вестн. транспорта Поволжья. - Самара: СамГУПС, 2014. - № 2 (44). -
C. 15-19.
9. Фофанов Г. А. Природный газ - моторное топливо для тепловозов // Железные дороги мира. - 2006. - № 7. - С. 43-48.
10. Просвиров Ю. Е. Инновационные энергосберегающие технологии в локомотивном хозяйстве : монография / Ю. Е. Просвиров, Д. Я. Носырев, А. В. Муратов, С. А. Петухов. - Самара : СамГУПС, 2012. - 123 с.
11. Кулешов А. С. Развитие методов расчета и оптимизации рабочих процессов ДВС : дис. д-ра техн. наук, специальность : 05.04.02 / А. С. Кулешов. - М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 235 с.
12. Программный комплекс Disel-RK. Сетевая версия 4.3.0.189 от 2013 г. - URL : http://www.diesel-rk.bmstu.ru (дата обращения : 11.11.2018).
13. Володин А. И. Локомотивные энергетические установки : учебник для вузов ж.-д. транспорта / А. И. Володин, В. З. Зюбанов, В. Д. Кузьмич и др. ; под ред. А. И. Володина. - М. : ИПК «Желдориздат», 2002. - 718 с.
14. Филонов С. П. Тепловоз 2ТЭ116 / С. П. Филонов, А. И. Гибалов, Е. А. Никитин и др. - М. : Транспорт, 1996. - 334 с.
15. Никитин Е. А. Тепловозные дизели типа Д49 / Е. А. Никитин, В. М. Ширяев, В. Г. Быков и др. ; под ред. Е. А. Никитина. - М. : Транспорт, 1982. - 255 с.
References
1. Nosyrev D. Ya., Muratov A. V. & Petukhov S. A. Perspektivy i problemy primene-niya vodoroda v lokomotivnykh energeticheskikh ustanovkakh [Prospects and problems of the
use of hydrogen in locomotive power plants]. Monograph. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 2014, 112 p. (In Russian)
2. Nosyrev D. Ya., Muratov A. V., Petukhov S.A. & Kurmanova L. S. Problemy i pers-pektivy ekspluatatsii gazoteplovozov na Kuybyshevskoy zheleznoy doroge filiale OAO "RZHD" [Problems and prospects for the operation of gas locomotives on the Kuybyshev Railways, Russian Railways Branch]. Vestnik transporta Povolzh'ya [Transport Bulletin of the Volga region]. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 2014, no. 5 (47), pp. 20-23. (In Russian)
3. Nosyrev D. Ya., Muratov A. V. & Petukhov S. A. Osnovnyye napravleniya povyshe-niya effektivnosti ispol'zovaniya teplovozov [The main directions of increasing the efficiency of using diesel locomotives]. Materialy Vseros. nauch.-tekhnich. konferencia s mezhdunarododnym uchastiyem "Ekspluatatsionnaya nadezhnost' lokomotivnogo parka ipovysheniye effektivnosti tyagipoyezdov" [Materials of All-Russia scientific and technical conference with international participation "Operational reliability of the locomotive fleet and increasing the efficiency of train traction"]. Omsk, OmGUPS [Omsk State Transport University] Publ., 2012, pp. 287-291. (In Russian)
4. Kavtaradze R. Z. Teplofizicheskiye protsessy v dizelyakh, konvertirovannykh na prirod-nyy gaz i vodorod [Thermophysical processes in diesel engines converted to natural gas and hydrogen]. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana [Bauman Moscow State Technical University] Publ., 2011, 238 p. (In Russian)
5. Nosyrev D. Ya., Muratov A. V., Petukhov S. A. & Kurmanova L. S. Vliyaniye nasys-hcheniya dizel'nogo topliva metanom na ekspluatatsionnyye pokazateli teplovoznykh dizeley [Influence of diesel fuel saturation with methane on the operating performance of diesel locomotive engines]. Vestnik transporta Povolzh'ya [Transport Bulletin of the Volga region], Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 2016, no. 6 (60), pp. 25-28. (In Russian)
6. Pereklyuchayemsya na gaz [Switching to gas]. Ezhednevnaya transportnaya gazeta "Gudok" [Gudok daily transport newspaper], October 22, 2015, no. 191 (25860), pp. 1-2. (In Russian)
7. Energeticheskaya strategiya zheleznodorozhnogo transporta na period do 2010 g. i na perspektivu do 2020 g. [Energy strategy in railway transport for the period up to 2010 and for the future through to 2020]. Moscow, JSC "Russian Railways" Publ., 2004, 14 p. (In Russian)
8. Andronchev I. K., Balakin A. Yu., Petruk V. V., Roslyakov A. D. & Tselikovskaya V. S. K voprosu o primenenii szhizhennogo gaza v dizel'nykh dvigatelyakh manevrovykh teplovozov [On the use of liquefied gas in diesel engines of shunting diesel locomotives]. Vestnik transporta Povolzh'ya [Transport Bulletin of the Volga region]. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 2014, no. 2 (44), pp. 15-19. (In Russian)
9. Fofanov G. A. Prirodnyy gaz motornoye toplivo dlya teplovozov [Natural gas as engine fuel for diesel locomotives]. Zheleznyye dorogi mira [Railways of the world], 2006, no. 7, pp. 43-48. (In Russian)
10. Prosvirov Yu. E., Nosyrev D. Ya., Muratov A. V. & Petukhov S.A. Innovatsionnyye energosberegayushchiye tekhnologii v lokomotivnom khozyaystve [Innovative energy-saving technologies in the locomotive facilities]. Monograph. Samara, SamGUPS [Samara State Transport University] Publ., 2012, 123 p. (In Russian)
11. Kuleshov A. S. Razvitiye metodov rascheta i optimizatsii rabochikhprotsessov DVS [The development of methods for calculating and optimizing the working processes of the in-
ternal combustion engine]. Thesis of Dr. Econ. Sci., specialty: 05.04.02. Moscow, MGTU im. N. E. Baumana [Bauman Moscow State Technical University] Publ., 2011, 235 p. (In Russian)
12. Programmnyy kompleks [Softwarepackage]. URL: http://www.diesel-rk.bmstu.ru Disel-RK (accessed: 11.11.2018). (In Russian)
13. Volodin A. I., Zyubanov V. Z., Kuzmich V. D. et al. Lokomotivnyye energeticheskiye ustanovki [Locomotive power plants]. Uchebnik dlya vuzov zh.-d. transporta [A textbook for universities of railway transport]. Ed. by A. I. Volodin. Moscow, IPK Zheldorizdat Publ., 2002, 718 p. (In Russian)
14. Filonov S. P., Gibalov A. I., Nikitin E.A. et al. Teplovoz 2TE116 [Locomotive 2TE116]. Moscow, Transport Publ., 1996, 334 p. (In Russian)
15. Nikitin E. A., Shiryaev V. M., Bykov V. G. et al. Teplovoznyye dizeli tipaD49 [Diesel locomotive engines D49 type]. Ed. by E.A. Nikitin. Moscow, Transport Publ., 1982, 255 p. (In Russian)
МУРАТОВ Алексей Владимирович - канд техн. наук, доцент, muratov@samgups.ru; *БАЛА-КИН Андрей Юрьевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, balakin@samgups. ru; БАРДИН Денис Сергеевич - аспирант, lok@samgups.ru; ЦЕЛИКОВСКАЯ Валентина Семеновна - канд. техн. наук, доцент, lokodis@mail.ru; КУРМАНОВА Лейла Салимовна - аспирант, kurmanova@mail.ru (Самарский государственный университет путей сообщения).
