Режими холостого ходу і малих навантажень

З характеру розподілу режимів роботи дизеля тепловоза в експлуатації витікає, що частка холостого ходу (робота без навантаження) складає приблизно 50% загального часу експлуатації. При цьому дизель використовується для приводу гальмівного компресора (для підтримки тиску повітря в гальмівній магістралі), допоміжного генератора (для заряджання акумуляторних батарей), вентиляторів тягових електродвигунів і інших допоміжних агрегатів.

У зимових умовах час роботи дизелів тепловозів на холостому ході збільшується з метою підтримки необхідного рівня температур теплоносіїв і палива в баках, трубопроводах, агрегатах тепловоза. Відсутність надійних, ефективних і економічних систем прогріву локомотива викликає необхідність збільшення тривалості роботи дизелів на холостому ході при низьких температурах навколишнього середовища. При цьому витрата палива на режимі холостого ходу під час руху тепловоза і його стоянці в «гарячому» відстої під депо складає до 16% загальної витрати. Робота дизелів на часткових (малих) навантаженнях, що складають значну частину експлуатаційних режимів, робить негативний вплив на техніко-економічні показники двигунів. Тому і необхідний розгляд особливостей експлуатації і способів підвищення ефективності роботи дизелів тепловозів на вказаних режимах.

В порівнянні з номінальним режимом при малих потужностях і частотах обертання колінчастого валу () підвищується питома індикаторна і питома ефективна витрата палива і може досягати, наприклад, для дизеля 10Д100 на мінімальній частоті приблизно = 1200…1250 г/(кВт×год.).

Підвищення значення або відповідне падіння ефективного ККД на даних режимах в основному обумовлено зменшенням механічного ККД, в порівнянні з максимальною потужністю, проте найбільш істотну роль грає зниження індикаторного ККД (рис. 6.15).

1 – включено один ряд ПНВТ;

2 – включено два ряди ПНВТ (дизель типу Д100)

Рис. 6.15. Залежність індикаторного ККД від коефіцієнта надлишку повітря

При зменшенні потужності і частоти обертання коефіцієнт надлишку повітря істотно підвищується і може досягати 8...10. Падіння індикаторного ККД при великих значеннях пов’язано зі збільшенням періоду затримки займання палива, погіршенням сумішеутворення, викликаного зниженням циклової подачі палива, інтенсивністю вихра і підвищеними відносними втратами теплоти.

Крім того, погіршення сумішоутворення обумовлене зниженням на холостому ході і малих навантаженнях тиску повітря в ресивері () із-за низького ступеня підвищення тиску в нагнітачі і збільшенням тиску газів перед турбіною унаслідок того, що компресор є опором на впусканні повітря, а турбіна – на випуску відпрацьованих газів. В результаті знижується перепад тиску або величина, що викликає зменшення швидкості вихра і збільшення коефіцієнта залишкових газів (досягає = 0,2) унаслідок погіршення якості продування циліндра.

Слід зазначити, що умови роботи паливної апаратури дизелів тепловозів на режимі холостого ходу характеризуються нерегулярним уприскуванням палива (пропусками подачі), нерівномірним підйомом голки форсунки, нестабільністю залишкового тиску палива в трубопроводі.

Дані процеси мають наступне пояснення. Після кожної подачі палива, що супроводжується уприскуванням, залишковий тиск в нагнітальному трубопроводі різко падає, подача палива ПНВТ при наступному ході плунжера використовується тільки для підняття в нім тиску, оскільки порція поданого палива для уприскування форсункою недостатня. Це викликає пропуск, а, отже, нерегулярність подачі палива в циліндр. Якщо є нерегулярність і нерівномірність подачі палива, то після нормального уприскування слідує часткове уприскування, а потім проводиться подача ПНВТ без уприскування палива форсункою (пропуск уприскування), коли тільки зростає залишковий тиск палива в нагнітальному трубопроводі.

Це викликає зміну кута випередження дійсного уприскування палива в циліндр (рис. 6.16): при нерегулярному уприскуванні кут може зрости на 6°, а при нерівномірному уприскуванні – на 1º.

Рис. 6.16. Закономірності подачі палива двигуна типу Д100 при = 400 об/хв.

Зміна кута обумовлена тим, що для підвищення тиску палива до відповідного початку підйому голки форсунки потрібний менший хід плунжера, оскільки в нагнітальному трубопроводі вже до початку підйому плунжера є великий залишковий тиск палива.

На заводі-виготівнику насоси ПНВТ регулюються на режим максимальної потужності. При цьому мінімальна подача палива між сусідніми циліндрами може відрізнятися більш ніж в 1,5 разу, що сприяє нерівномірному розподілу палива по циліндрах на режимах холостого ходу і часткових навантаженнях. Щоб зменшити відмінність в подачі палива по окремих циліндрах дизеля на вказаних режимах, проводиться підбір ПНВТ за групами.

Проте, це повною мірою не виключає нерівномірність і нерегулярність паливоподачі, приводить до пропусків спалахів і розрідження дизельного масла незгорівшим і стікаючим в картер паливом. Крім того, частина незгорілого палива викидається у випускну систему. При низькій температурі поверхонь випускного тракту і поршнів відбувається інтенсивне смолоутворення. Таке явище приводить в чотирьохтактних дизелях до заростання клапанів, а в двотактних – випускних вікон, що сприяє падінню величини, а, отже, погіршенню паливної економічності і зниженню надійності і довговічності роботи дизелів тепловозів.

Підвищення витрати палива на холостому ході і часткових навантаженнях обумовлене і тепловим станом дизеля, який визначається рівнем температур теплоносіїв дизеля, що роблять вплив на індикаторний ККД і механічні втрати. При роботі дизеля на даних режимах, особливо в осінній-весняний і зимовий періоди експлуатації, спостерігається зниження температур води і масла в системах охолоджування і змазки двигуна унаслідок зменшення теплоти, що виділяється при згоранні палива, а при існуючій розвиненій поверхні радіаторів охолоджуючого пристрою тепловоза зростають теплові втрати з циліндра в теплоносії дизеля, викликаючи падіння індикаторного ККД.

Зниження температур води і масла сприяють збільшенню механічних втрат на тертя, а, отже, додаткової витрати палива на їх подолання. Так, наприклад, при зменшенні температури води і масла до 30°С втрати теплоти збільшуються приблизно на 10%.

Вплив температури води і масла окремо на годинну витрату палива різний. При зниженні температури води на 30°С витрати палива підвищується на 5...10%, а при відповідному зменшенні температури масла – на 25...28%. Значніше підвищення витрати палива з пониженням температури масла в порівнянні з температурою води пояснюється істотнішим впливом температури масла на потужність тертя і збільшенням втрат теплоти в систему масляного охолоджування поршнів.

Велике значення має температура наддувочного повітря (рис. 6.17).

Рис. 6.17. Залежність годинної витрати палива від температури повітря в ресивері на холостому ході дизеля 10Д100

На режимах холостого ходу і малих навантажень при коефіцієнті надлишку повітря 3 охолоджування повітря в охолоджувачі наддувочного повітря шкідливо відбивається на робочому процесі із-за збільшення періоду затримки займання палива і погіршення якості сумішеутворення. Як показує аналіз індикаторних діаграм, згорання палива відбувається за ВМТ і переноситься на лінію розширення. Особливо це виявляється при знижених температурах навколишнього середовища, коли зниження температури води в контурі охолоджування наддувочного повітря найбільш значне.

Наприклад, на дизелі 10Д100 при зовнішній температурі повітря –30°С температура наддувочного повітря знижується до 10°С, температура повітря в кінці стиснення = 500°С, що приводить до зростання періоду затримки займання палива на 3° п.к.в.

Таким чином, на режимах холостого ходу і часткових навантажень має місце: значне зниження паливної економічності; погіршення технічного стану дизеля із-за інтенсивних процесів смолоутворення, нагароутворення; зниження теплового стану силової установки, її надійності і довговічності, а, отже, і ресурсу роботи.

Зупинимося на наступних основних шляхах підвищення паливної економічності і надійності дизеля тепловоза на даних режимах.

1. Відключення групи циліндрів. Може здійснюватися за рахунок припинення подачі палива шляхом виведення рейки ПНВТ на нульову подачу. При цьому регулятор для збереження частоти обертання впливає на рейки ПНВТ працюючих циліндрів у бік збільшення циклової подачі палива, чим досягається підвищення якості уприскування палива і процесу сумішеутворення. Вплив відключення циліндрів на показники робочого процесу двохтактних і чотирьохтактних дизелів неоднозначно.

На двотактних дизелях тепловозів типу Д100 при двох ПНВТ, що працюють на один циліндр, істотне збільшення циклової подачі палива насосів одного ряду досягається шляхом виключення насосів другого ряду (10-ти насосів ПНВТ). В цьому випадку, згідно рис. 6.15 годинна витрата палива при роботі на одному ряду насосів при зміні частоти обертання від 400 до 600 об./хв. знижується на 17...20%, а індикаторний ККД підвищується з 0,25 до 0,35. При цьому значно зменшується і кількість незгорілого палива, а, отже, більшою мірою усуваються процеси відкладення смоли у випускному тракті і розрідження дизельного масла паливом в картері дизеля.

Значне поліпшення роботи паливної апаратури дизеля типу Д100 може бути досягнуте відключенням додатково п’яти паливних насосів при роботі на одному ряді. В цьому випадку із-за підвищення циклової подачі палива до 0,3 г/цикл коефіцієнт надлишку повітря на холостому ході знижується в 2 рази, поліпшується робота дизеля, знижується витрата дизельного палива на 30%, виключається розрідження масла паливом.

Для чотирьохтактних дизелів відключення групи циліндрів виявляється менш ефективним, оскільки підвищення індикаторного ККД, із-за різкого (майже удвічі) падіння коефіцієнта надлишку повітря, компенсується зростанням насосних втрат. Величина насосних втрат збільшуються із-за істотного зниження температури повітря, що видаляється через випускні клапани з великими втратами.

Не дивлячись на відсутність ефекту з економії палива, відключення подачі палива в групу циліндрів стабілізує роботу паливної температури, покращує якість сумішеутворення і робочого процесу в працюючих циліндрах.

Для підвищення ефективності відключення циліндрів в чотирьохтактних дизелях, зниження витрати палива на режимах холостого ходу і часткових навантаженнях доцільне одночасне відключення подачі палива і припинення масообміну за рахунок закриття впускних і випускних клапанів, що здійснюється розривом кінематичного зв’язку кулачка з клапанами або переміщенням кулачкового валу на початкове коло кулачків. Укладений в циліндрі об’єм повітря, що стискається і розширюється без масообміну з газоповітряним трактом, видавлюється із-за нещільності поршневих кілець в картер. Через декілька робочих циклів кількість повітря в циліндрі зменшується в 8…10 разів в порівнянні з його первинним значенням, робочий тиск в циліндрі знижується (наприклад, тиск повітря в кінці стиснення зменшується до 0,2…0,3 МПа). За даними ХІІТ і ВО «Пенздизельмаш» зниження витрати палива дизелем ПДГ1М (2Д50) на режимі холостого ходу складає 25% в основному за рахунок повного виключення насосних втрат в непрацюючих циліндрах при одночасному поліпшенні якості сумішеутворення при подвоєній цикловій подачі палива в працюючих циліндрах.

Для запобігання переохолодженню відключених циліндрів і значної термічної напруги при їх включенні здійснюють почергове відключення циліндрів залежно від необхідного навантаження. Це дозволяє понизити витрату палива як на холостому ході, так і на малих навантаженнях (до 40% ).

2. Тиск уприскування (розпилювання) палива може бути збільшений на холостому ході і малих навантаженнях за рахунок зміни зусилля на закриваючий орган форсунки. Для цього запропонована і реалізована на дизелі 100Д100 система, яка одночасно з виключенням групи циліндрів впливає на закриваючі органи працюючих форсунок, збільшуючи замикаюче зусилля. Дія здійснюється через рухомий ущільнюючий елемент, розташований в спеціальній камері форсунки, при подачі в камеру стислого повітря. Результатами випробувань даної системи на дизелі 10Д100 встановлено, що витрата палива на холостому ході зменшилася не менше, чим на 4%.

3. Поліпшення якості уприскування палива, забезпечення регулярності і рівномірності його подачі на холостому ході може бути досягнуте установкою дворежимних форсунок, в яких при малому тиску і мінімальних циклових подачах уприскування палива здійснюється через один сопловий отвір, а при повному навантаженні – через всі отвори.

4. Підвищення теплового стану дизеля. Як указувалося вище, на холостому ході і часткових навантаженнях знижуються температури води і масла унаслідок: зменшення теплоти, що виділяється при мінімальній цикловій подачі палива; збільшення теплових втрат в навколишнє середовище; недосконалість роботи системи автоматичного регулювання температур.

При підвищенні температури охолоджуючої води з 30° до 75°С період затримки займання палива скорочується на 5...7°, а годинна витрата палива зменшується на 7…8%. Проте, при цьому збільшуються втрати тепла з відпрацьованими газами, що багато в чому компенсує зменшення втрат теплоти в систему охолоджування із-за зниження температурного натиску між теплоносієм і робочим тілом в циліндрах. Значніше знижується витрата палива із зростанням температури масла. Економія палива на холостому ході може досягати 25…30% при підвищенні температури масла з 30 до 65°С.

Одночасне збільшення температур води і масла найістотніше впливає на зниження витрати палива унаслідок зменшення механічних втрат і деякого поліпшення процесу горіння.

Підвищення температур теплоносіїв дизеля можливо за рахунок зниження теплових втрат в навколишнє середовище допоміжними системами тепловоза. Це досягається шляхом утилізації теплоти в силовій установці, вдосконалення охолоджуючого пристрою і системи автоматичного регулювання температури, що дозволяє змінювати теплорассеивающую здатність радіаторів залежно від навантаження і кліматичних умов експлуатації.

5. Стабілізація оптимальної температури наддувочного повітря. Відомо, що на номінальній потужності і близьких до неї режимах необхідне охолоджування наддувочного повітря для зниження питомої ефективної витрати палива. Проте, на режимах холостого ходу і малих навантаженнях наддувочне повітря потрібно підігрівати. Причому підігрів повітря доцільний до температури =45°С (рис. 6.17). Подальше підвищення температури наддувочного повітря не приводить до помітного підвищення індикаторного ККД унаслідок значного скорочення періоду затримки займання палива, що приводить до передчасного його згорання до в.м.т., збільшенню негативної роботи, падінню максимального тиску згорання . Зниження годинної витрати палива на холостому ході за рахунок підігріву повітря досягає 10% при =400 об./хв. (дизель 10Д100).

З підвищенням частоти обертання ефективність системи підігріву наддувочного повітря знижується.

Підігрів наддувочного повітря можливо здійснити за рахунок міжконтурного перепускання води з контура охолоджування води дизеля в контур охолоджування наддувочного повітря, що дозволяє понизити витрату палива на 4...5% при низьких негативних температурах навколишнього середовища.

Ефективним способом підігріву наддувочного повітря на холостому ході і часткових навантаженнях є утилізація теплових втрат допоміжними системами в навколишнє середовище. Зокрема, на тепловозах 2ТЭ116 упроваджений принцип рециркуляції повітря, що дозволяє утилізувати теплоту, що відводиться охолоджуючим пристроєм в кузові тепловоза, а, отже, в повітрязабірних пристроях дизеля при забиранні повітря двигуном з дизельного приміщення. Дана система рециркуляції повітря дозволяє не тільки забезпечити підігрів наддувочного повітря, але і підвищити тепловий стан силової установки, а, отже, механічний ККД на вказаних режимах, економія дизельного палива в умовах експлуатації складає 6…12%.

Розглянуті способи характерні для підігріву повітря в охолоджувачі наддувочного повітря або на вході в охолоджувач. Проте, можливий підігрів наддувочного повітря безпосередньо в ресивері за рахунок рециркуляції відпрацьованих газів, В даному випадку здійснюється перепуск приблизно 30% випускних газів в повітряний ресивер, що дозволяє підвищити температуру повітря в кінці стиснення, зменшити період затримки займання палива і підвищити індикаторний ККД, при збільшенні коефіцієнта залишкових газів, понизити витрату палива на холостому ході на 8.10%. Проте, система регулювання кратності рециркуляції відпрацьованих газів відрізняється відносною складністю реалізації на дизелі тепловоза.

Утилізація теплових втрат в силовій установці здійснюється за рахунок відключення з круга циркуляції теплоносіїв дизеля теплообмінних апаратів і охолоджуючих пристроїв, що досягається за рахунок застосування систем осушення, що дозволяють забезпечити спорожнення теплообмінних пристроїв і апаратів від охолоджуючого середовища і істотно понизити теплові втрати на основі їх утилізації в силовій установці, а, отже, підвищити температури теплоносіїв і наддувочного повітря при роботі дизеля на холостому ході і малих навантаженнях.

6. Зниження мінімальної частоти обертання колінчастого валу дизеля . Для більшості дизелів відношення = 2,8…3,0. Мінімальну частоту обертання на холостому ході необхідно вибирати на підставі комплексного дослідження теплотехнічних, міцнісних і динамічних показників роботи дизеля.

Зменшення частоти обертання, що знижує втрати потужності на подолання механічних опорів і на привід допоміжного устаткування, визначає істотне зниження як годинної витрати палива при мінімальній частоті обертання холостого ходу, так і інтенсивності зношування деталей дизеля. Тому доцільне встановлення мінімально допустимої частоти обертання холостого ходу .

У міру зниження погіршується робочий процес в циліндрі двигуна і, перш за все, знижується індикаторний ККД із-за погіршення якості сумішеутворення. Це пояснюється зменшенням тиску уприскування палива, залежного від об’ємної швидкості плунжера ПНВТ, прямо пропорційній частоті обертання і цикловій подачі палива, що змінюється більшою мірою, чим частота обертання . В умовах зниження тиску уприскування і циклової подачі палива, що зменшується, при зниженій частоті обертання можуть мати місце нерегулярність і пропуск подачі палива в циліндри двигуна, неповне згорання і розрідження масла паливом.

Тому зниження частоти обертання повинне супроводжуватися відключенням групи циліндрів на холостому ході з метою підвищення циклової подачі палива в працюючі циліндри з метою забезпечення стійкості роботи двигуна і поліпшення індикаторних показників робочого процесу.

Слід зазначити, що погіршення процесу згорання пов’язане із збільшенням періоду затримки займання палива унаслідок зниження температури і тиску повітря в кінці стиснення у міру зниження частоти обертання, як за рахунок зменшення тиску, так і за рахунок збільшення відносних втрат теплоти в систему охолоджування.

Результатами випробувань, проведених в ХІІТ на дизелі тепловоза 2Д100, встановлено, що при зниженні частоти обертання з 400 до 220 об./хв. при роботі на п’яти насосах ПНВТ закінчення процесу згорання співпаде з моментом початку випуску при =270 об./хв., відносні втрати теплоти на ділянці горіння-розширення зростають в 2 рази, індикаторний ККД знижується від 0,32 до 0,27. Проте, не дивлячись на погіршення індикаторного процесу, годинна витрата палива знижується майже в 2 рази, оскільки визначальним є зниження циклової подачі палива і кількість циклів в одиницю часу.

Значення коефіцієнта нерівномірності обертання колінчастого валу, що визначає динамічні якості дизеля, підвищується до допустимих значень при зниженні =220 об./хв., і тому обмеження по ступеню нерівномірності обертання валу двигуна не є визначальним.

При зниженні частоти обертання зменшується мінімальна товщина масляного шару в корінних підшипниках, яка, проте, набагато вище, ніж на номінальному режимі. При цьому надійність і довговічність роботи деталей циліндропоршневої групи і підшипників істотно зростають.

В цілому можна стверджувати, що з пониженням частоти обертання, підвищується економічність силової установки, надійність і довговічність роботи циліндропоршневої групи і підшипникових вузлів.

7. Створення високоефективних систем прогріву силових установок, особливо при стоянках з метою підтримки постійної їх готовності до експлуатації. В даний час прогрів тепловозів в зимовий час і міжсезонний період здійснюється від постійно працюючого дизеля локомотива на режимі холостого ходу (самопрогрів). При низьких температурах зовнішнього повітря тепловиділення від згорання палива недостатньо для підтримки оптимального теплового стану дизеля і тому прогрів проводиться перекладом рукоятки контролера машиніста на 4, 6 або 8 позиції для збільшення циклової подачі палива.

Проте, при прогріві силової установки дизеля тепловоза на холостому ході унаслідок погіршення робочого процесу інтенсифікувалися процеси відкладення смоли, нагароутворення, розрідження дизельного масла паливом, знижується технічний стан двигуна і економічність його роботи, відбувається порушення екологічної обстановки. Для скорочення часу прогріву силової установки від працюючого дизеля запропонована автоматична система циклічного прогріву тепловоза. Суть даної системи полягає в тому, що залежно від температури навколишнього середовища і при відповідному положенні рукоятки контролера машиніста прогрів здійснюється дизелем до необхідних раціональних значень температур води і масла, досягши яких двигун відключається. У міру охолодження теплоносіїв і досягнення мінімально допустимих значень дизель автоматично запускається і прогрів силової установки знову повторюється.

Проте, реалізація даної системи прогріву вимагає постійної зупинки і запуску двигуна. В цьому випадку інтенсифікувалися процеси зносу деталей дизеля (один пуск еквівалентний 10...20 хв. роботи двигуна на номінальній потужності), розряджаються акумуляторні батареї, з’являється небезпека замерзання води в радіаторних секціях охолоджуючого пристрою. Тому необхідне створення таких автономних і неавтономних систем, при яких прогрів силової установки здійснюється не від дизеля, а від альтернативних джерел теплоти: надлишкова пара котельних; електроенергія або природний газ, які в теплопунктах прогрівають воду і масло, циркулюючі в системах дизеля; стандартні бортові електричні системи прогріву; допоміжні дизель-генератори малої потужності (50…70 кВт) і ін.

Коефіцієнт корисної дії вказаних джерел теплоти може досягати 0,85...0,9, що відповідає зниженню витрати палива в 2...2,5 разу в порівнянні з підтримкою теплового стану силової установки від працюючого двигуна тепловоза. Важливим є також і та обставина, що застосування ефективних автономних систем прогріву повинне бути можливе не тільки при стоянці тепловозів під депо в «гарячому відстої», але і в дорозі проходження, як на зупинках, так і на затяжних спусках, особливо багатосекційних тепловозів, при проходженні яких без навантаження потрібне відключення окремих секцій.

Без автономних, допоміжних систем прогріву відключення окремих секцій багатосекційного тепловоза неможливе унаслідок вірогідного замерзання води в системах силової установки. Одним з напрямів є вдосконалення систем охолоджування і впровадження пристроїв осушення радіаторів від води з метою зменшення теплових втрат силовою установкою, підвищення часу безпечного простою тепловоза з непрацюючим двигуном і збільшення швидкості прогріву при його запуску. Дані пристрої, розроблені в МІІТ, були встановлені на тепловозі 3ТЭ10М на Байкало-амурській магістралі, експлуатаційні випробування яких показали позитивні результати.