2.2. Энергетическая установка

Энергетическая установка тепловоза – дизель, преобразует химическую энергию топлива в механическую энергию вращения коленчатого вала.

Дизель (рис. 2.3) состоит из неподвижного блока цилиндров, составляющего вместе с картером и поддоном единую конструкцию называемую остовом. В верхней части цилиндр закрыт крышкой. В крышке расположены впускные и выпускные клапаны и форсунка для подачи дизельного топлива. Движущиеся детали дизеля поршень, шатун, кривошип и вал объединены с помощью подшипников и составляют кривошипно-шатунный механизм. При работе дизеля поршень совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси цилиндра, которое с помощью кривошипно-шатунного механизма преобразуется во вращательное движение коленчатого вала.

Принцип действия дизельного двигателя заключается в следующем. При сгорании топлива в объеме сжатого воздуха между стенками цилиндра и днищем поршня образуются газы – продукты сгорания. Вследствие этого давление в цилиндре резко возрастает, что приводит к перемещению поршня. Таким образом, тепловая энергия продуктов сгорания преобразуется в механическую энергию движения поршня. После расширения отработавшие газы выпускаются из цилиндра через выпускной клапан. Поршень в цилиндре перемещается между двумя крайними положениями. Положение поршня при максимальном удалении от коленчатого вала называется верхней мертвой точкой (ВМТ). Наиболее близкое к коленчатому валу положение поршня называется нижней мертвой точкой (НМТ). Объем между верхней мертвой точкой и нижней мертвой точкой образует рабочий объем цилиндра.

Рис. 2.3. Схемы дизельных двигателей: а) четырехтактного; б) двухтактного

Периодически повторяющаяся в цилиндре последовательность частей рабочего процесса (заполнение свежим зарядом, сжатие, горение, расширение и удаление продуктов горения) называется рабочим циклом двигателя. Часть цикла, протекающая между двумя смежными положениями поршня в мертвых точках, называется тактом. Один такт происходит за один ход поршня. По числу тактов рабочего цикла различают четырехтактные и двухтактные дизели.

В четырехтактном двигателе (рис. 2.3, а), цикл протекает за четыре хода поршня. При движении поршня вниз от в.м.т. и открытом впускном клапане цилиндр заполняется воздухом. Далее воздух сжимается движущимся вверх поршнем при закрытых клапанах (II такт – сжатие). В конце такта сжатии форсункой впрыскивается топливо, которое воспламеняется от высокой температуры воздуха. Поршень под воздействием давления расширяющихся газов движется вниз (III такт – рабочий ход). Поршень движется вверх при открытом выпускном клапане, выталкивая отработавшие газы из цилиндра (IV такт – выпуск). Таким образом, рабочий процесс четырехтактного двигателя протекает за четыре такта или два оборота коленчатого вала.

В двухтактном двигателе (рис. 2.3, б) рабочий процесс протекает несколько иначе. Устройство двухтактного двигателя отличается тем, что в крышке цилиндра есть только выпускные клапаны, а в стенках цилиндра впускные окна через которые в цилиндр поступает воздух. Эти окна открываются поршнем при его движении в цилиндре. При движении поршня вверх из нижней мертвой точки воздух с избыточным давлением от нагнетателя поступает через окна в цилиндр. В процессе движения поршня давление и температура воздуха в цилиндре растут (I такт). В конце первого такта в цилиндр форсункой впрыскивается топливо, которое вследствие высокой температуры воздуха самовоспламеняется и сгорает. При этом давление газов в цилиндре резко повышается. Под давлением газов поршень из верхней мертвой точки перемещается в нижнюю, совершая полезную работу (II такт – рабочий). В конце рабочего такта сначала открываются выпускные клапаны, и отработавшие газы выходят из цилиндра в выпускной коллектор. Давление их в цилиндре падает. При дальнейшем движении вниз поршень открывает продувочные окна, свежий воздух начинает поступать в цилиндр, вытесняя остатки отработавших газов. Происходит продувка и наполнение цилиндра воздухом. Таким образом, рабочий процесс в двухтактном двигателе протекает за два такта или один оборот коленчатого вала.

Согласно стандарту каждый двигатель характеризуется условным обозначением, включающим в себя число цилиндров; буквы характеризующие тип двигателя (Ч – четырехтактный, Д – двухтактный, Н – с наддувом); численные значения диаметра цилиндра и хода поршня (в сантиметрах в виде дроби). Кроме того, заводы изготовители присваивают дизелям свои условные обозначения. Так, например дизель, использующийся в настоящее время на тепловозах 2ТЭ116, ТЭП70, ТЭП150 имеет заводское обозначение 5Д49. По стандарту он обозначается 16ЧН26/26. Соответственно этот дизель имеет 16 цилиндров, является четырехтактным, имеет наддув, диметр цилиндра и ход поршня составляют 26см (260 мм).

Касательная (на ободе колес) мощность N_k тепловоза всегда меньше чем эффективной мощности N_e дизеля локомотива. Это обусловлено отбором мощности на привод вспомогательных агрегатов и наличием потерь в системах тепловоза. В силу наличия жестких ограничений на массогабаритные параметры тепловозов, мощность энергетической установки (дизеля) ограничена по величине. Соответствующие ограничения имеет и поле тяговых характеристик тепловоза.

Как известно, касательная (на ободе колес) мощность N_k тепловоза всегда меньше (на 20−30 %) эффективной мощности N_e дизеля этого локомотива. По целому ряду причин, например, из-за ограничения весогабаритных параметров тепловозов, мощность его силовой установки (дизель-генератора) ограничена по величине. Соответствующие ограничения имеет поле тяговых характеристик тепловоза.

В связи с тем, что тепловозные дизеля работают в эксплуатации на переменных режимах по мощности от номинальной (полной) до холостого хода, касательная мощность N_k является также переменной величиной, зависящей, в основном, от режимов работы дизеля.

В реальной эксплуатации управлять работой силовой установки и тепловоза в целом можно, изменяя конкретные параметры и характеристики тепловозного дизеля. Характеристиками дизеля называют зависимости между различными параметрами на заданных режимах его работы.

Основной характеристикой тепловозного дизеля является эффективная (на коленчатом вале дизеля) мощность N_e, которая может быть рассчитана по следующей зависимости, кВт:

; (2.1)

где 100/3 − коэффициент, зависящий от единиц измерения; p_e − эффективное давление, МПа; τ − тактность дизеля; n_e − частота вращения вала дизеля, мин ^-1; z − число цилиндров; V_h − рабочий объем цилиндра тепловозного дизеля, м³:

;

где D − диаметр цилиндра, м; S − ход поршня, м.

Из формулы (2.1) следует, что в реальной эксплуатации машинист имеет возможность управлять работой дизеля, изменяя лишь два параметра: частоту вращения коленчатого вала дизеля n_e и среднее эффективное давление p_e. Следовательно, формулу (2.1) можно значительно упростить:

; (2.2)

где С₁ − коэффициент, учитывающий влияние постоянных параметров на эффективную мощность дизеля, который определяется как:

.

Рассмотрим основные свойства тепловозного дизеля, влияющие на тяговые свойства автономного локомотива.

Свойство 1. Эффективную мощность тепловозного дизеля можно регулировать изменениями двух основных параметров: частоты вращения коленчатого вала дизеля n_e и среднего эффективного давления p_e.

Величина среднего эффективного давления p_e в основном зависит от удельного эффективного расхода топлива в цилиндре g_e при обеспечении заданного давления надувочного воздуха. При постоянном положении рейки топливных насосов дизеля, величина удельного эффективного расхода топлива g_e не изменяется, т.е. g_e=const. В этом случае (при g_e=const) среднее эффективное давление является постоянной величиной, т.е. p_e= const.

Выражение (2.2) преобразуется в уравнение прямой линии, которая проходит через начало координат, кВт:

; (2.3)

где С₂ − постоянный коэффициент, .

Таким образом, при постоянной подаче топлива эффективная мощность дизеля прямо пропорциональна частоте вращения коленчатого вала n_e.

На рис. 2.4 приведены теоретические характеристики изменения эффективной мощности тепловозного дизеля N_e от частоты вращения коленчатого вала n_e для трех значений удельного эффективного расхода топлива g_e1, g_e2, g_e3 (показаны штриховыми линиями).

В реальных тепловозных дизелях характер изменения эффективной мощности при g_e=const отличается от теоретического. Разница реальных и теоретических характеристик показана на рис. 2.4 в виде заштрихованной площади.

Рис. 2.4. Теоретические и опытные характеристики

тепловозного двигателя при р_е1, р_е2, р_е3

Свойство 2. Тепловозный дизель устойчиво работает в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала от минимальных n_emin до максимальных оборотов n_emax (рис. 2.4).

Наименьшая частота вращения n_emin примерно соответствует холостому ходу n_eхх дизеля. Для каждого типа тепловозного дизеля величина n_eхх устанавливается отдельно при приемо-сдаточных испытаниях и находится в пределах от 25 до 40% максимального (номинального) значения частоты вращения вала дизеля.

Возможность эксплуатации дизеля при n_e<n_eхх ограничена следующими обстоятельствами: наблюдается нестабильность величины n_e и снижение устойчивости работы дизеля при постоянном положении органа подачи топлива; снижается вязкость дизельного масла и повышаются потери на механическое трение; увеличиваются отложения нагара на некоторые детали дизеля и возможность попадания в зону критических резонансных частот валопровода. И главное − при уменьшении частоты вращения коленчатого вала n_e<n_eхх ухудшаются условия для полного сгорания и надежного самовоспламенения топлива, так как при снижении скорости движения поршня уменьшаются давление и количество свежего заряда воздуха в конце такта сжатия в цилиндре дизеля.

Наибольшая частота вращения коленчатого вала дизеля n_emax устанавливается по условиям прочности и долговечности конструкции, поскольку при увеличении величины n_e возрастает износ деталей дизеля, работающих в условиях трения скольжения. Также при n_e>n_emax возрастают механические потери, а эффективный к.п.д. дизеля резко падает. В двухтактных дизелях при увеличении частоты вращения коленчатого вала более величины n_emax ухудшается очистка цилиндров от продуктов сгорания, что дополнительно снижает экономичность рабочего процесса. Обычно для тепловозных дизелей наибольшая частота вращения коленчатого вала n_emax совпадает с ее значением на номинальном режиме n_eном, то есть n_eном = n_emax.

Номинальный режим для каждого типа дизелей устанавливается заводом-изготовителем. При этом режиме заводом гарантируется надежная работа узлов дизеля при их длительной эксплуатации. Номинальному режиму (точка А на рис. 2.4) соответствует номинальная эффективная мощность дизеля N_e и номинальная частота вращения коленчатого вала n_eном. Графическая зависимость эффективной мощности N_e от частоты вращения n_e в диапазоне n_eхх− n_eном, проходящая через номинальный режим работы (линия А-Б на рис. 2.4) при постоянном положении органа подачи топлива, называется внешней скоростной характеристикой дизеля.

Необходимо также отметить, что в диапазоне дизель работает устойчиво не при любых n_e, а при определенных фиксированных значениях, которые устанавливаются машинистом в соответствии с позицией рукоятки его контроллера. Таких фиксированных положений на тепловозе обычно бывает от 8 до 15. Каждой позиции рукоятки контроллера машиниста соответствует своя величина удельного эффективного расхода топлива. Вертикальными линиями на рис 2.4. Показаны нагрузочные характеристики дизеля, соответствующие фиксированным частотам вращения коленчатого вала n_eхх, n_e1,…n_eном.

Свойство 3. Дизель не запускается под нагрузкой. В момент запуска дизеля его коленчатый вал должен быть отсоединен от колесных пар локомотива.

Свойство 4. Для пуска дизеля необходим дополнительный (посторонний) источник энергии. На тепловозах для этой цели используют электрические машины постоянного тока, получающие энергию в момент запуска от аккумуляторных батарей локомотива.

Свойство 5. Эффективный вращающий момент дизеля в рабочем диапазоне частот вращения n_eхх− n_eном изменяется незначительно. Связь между вращающим моментом М_e, эффективной мощностью N_e и частотой вращения n_e коленчатого вала тепловозного дизеля можно выразить формулой, Н∙м:

; (2.4)

где С₃=974 − постоянный коэффициент.

Подставив в выражение (2.2) уравнение (2.4) получим, Н∙м:

; (2.5)

где С₄=С₁∙С₃=974С₁ − постоянный коэффициент.

При неизменном положении органа подачи топлива среднее эффективное давление р_е является постоянной величиной, то есть р_е=const. В соответствии с выражением (2.5) величина эффективного момента М_e при р_е=const также будет постоянной, не зависящей от изменения частоты вращения коленчатого вала дизеля. На рис. 2.5 теоретическая характеристика М_e=f(n_e) показана штриховой линией. Вследствие различия в теоретическом и действительном рабочих процессах, происходящих в цилиндре дизеля реальная характеристика эффективного момента в рабочем диапазоне дизеля n_eхх− n_eном будет несколько отличаться от теоретической характеристики М_e=f(n_e). Разница между этими характеристиками показана на рис. 2.5 заштрихованной площадью.

Рис. 2.5. Теоретическая и опытная зависимости вращающего момента М_е

от частоты вращения коленчатого вала дизеля п_е

Зададимся вопросом, как это свойство может отразиться на тяговых возможностях локомотива? Представим, коленчатый вал дизеля с помощью механической муфты сцепления (для реализации свойства 3 дизеля) напрямую соединили с колесными парами тепловоза. При таком способе передачи эффективной мощности вращающий момент на ободе колес колесных пар локомотива М_к будет равен эффективному моменту на валу дизеля М_e, т. е. М_к=М_e. Кстати, именно таким путем шел изобретатель дизеля немецкий ученый Рудольф Дизель, который в 1912 году по заказу прусских железных дорог построил пассажирский тепловоз мощностью 880 кВт с непосредственной передачей мощности дизеля. Уже после первых опытных поездок выявилась полная непригодность этого тепловоза для работы на железных дорогах, и в 1914 году локомотив был продан на слом. В чем же главная причина неудачи Рудольфа Дизеля?

Как известно, величина силы тяги F_k, создаваемая при взаимодействии колесных пар локомотива с рельсами, зависит от М_к и диаметра колесных пар D_k, т. е. при отсутствии скольжения . В соответствии со свойством 4 тепловозного дизеля имеем М_е=const. В этом случае для тепловоза с непосредственной передачей имеет место равенство М_к=М_е=const. Следовательно, величина силы тяги F_k, создаваемая этим локомотивом, не будет изменяться во всем скоростном диапазоне работы тепловоза, т. е. F_k=const. На рис. 2.6 показана тяговая характеристика F_k=f(V) тепловоза с непосредственной передачей.

Чем такая тяговая характеристика не удовлетворяет тяговым свойствам локомотива?

Касательная мощность тепловоза N_k может быть определена с помощью следующего равенства, кВт:

; (2.6)

где F_k − касательная сила тяги, Н; V − скорость движения, км/ч.

Рис. 2.6. Тяговая характеристика тепловоза с непосредственной передачей

Как уже ранее отмечалось, для тепловоза с непосредственной передачей во время его движения значение силы тяги не будет изменяться, т. к. F_k=const. В этом случае равенство (2.6) преобразуется в уравнение прямой, проходящей через начало координат ; где − постоянный коэффициент. На рис. 2.6 также показан характер изменения касательной мощности N_k=f(V) тепловоза с непосредственной передачей. Что означает такой характер изменения касательной мощности? В момент трогания и разгона тепловоза с составом при таком типе передачи касательная мощность на ободе колес отсутствует, т. е. N_k=0. нужен еще один локомотив, который предварительно разогнал бы такой поезд. А если произойдет непредвиденная остановка поезда на перегоне? Это и ряд других обстоятельств доказывают ошибочность пути, выбранного Рудольфом Дизелем при создании тепловоза с непосредственной передачей.

Если рассматривать дизель как силовую установку транспортного средства, работающего при переменных скоростях движения, то его свойство 5 является принципиальным недостатком тепловозных дизелей.

Свойство 6. Дизель не допускает перегрузок. Различия между значениями вращающего момента нагрузки на коленчатый вал дизеля и номинального эффективного момента М_еном (см. рис. 2.5)не должны превышать 5%. В противном случае дизель может заглохнуть, что чревато остановкой поезда, например, при движении по расчетному подъему.

Свойство 7. Тепловозные дизели не реверсивные. Другими словами дизели могут работать при строго определенном направлении (например, по часовой стрелке) вращения коленчатого вала. В свою очередь тепловоз должен иметь возможность изменять направление своего движения. Это также серьезный недостаток тепловозных дизелей. В принципе построить реверсивный дизель не сложно, и такие конструкции применяются в качестве силовых установок морских судов. При этом заметно усложняются конструкции кулачковых валов приводов клапанов и дизеля в целом, что отрицательно сказывается на надежности среднеоборотных двигателей, применяемых на тепловозах.

Свойство 7. Экономичность дизеля в рабочем диапазоне частоты вращения коленчатого вала n_eхх − n_eном неодинакова. Обычно экономичность дизеля оценивают величинами эффективного удельного расхода топлива g_e кг/(кВ∙ч), и эффективного к.п.д. дизеля. Физический смысл удельной величины g_e такой − сколько килограммов топлива нужно сжечь в цилиндре дизеля, чтобы получить 1 кВт мощности в течение 1 часа. Величину g_e определяют экспериментальным путем.

Эффективный к.п.д. дизеля определяют по следующей зависимости:

; (2.7)

где Q_н − низшая теплота сгорания 1 кг топлива, кДж/кг.

На рис. 2.7 приведены удельные характеристики экономичности тепловозных дизелей, g_e=f(n_e) и η_е=f(n_e). Из рис. 2.7 видно, что наивысшая экономичность дизеля примерно соответствует номинальному режиму его работы. Современные тепловозные дизели на номинальных режимах работы имеют удельные эффективные расходы топлива g_eном в пределах 0,2 − 0,22 кг/(кВт∙ч) и эффективный к.п.д. η_е=0,39 − 0,43.

Рис. 2.7. Экономические характеристики тепловозного дизеля

Перечисленные свойства позволяют сделать вывод о том, что дизель как двигатель плохо приспособлен к тяговой (транспортной) службе, т. е. к эксплуатации, когда нужно в несколько раз изменять величину вращающего момента на колесных парах, при этом поддерживать заданный уровень мощности при изменении скорости движения и т. д.

Как известно, несоответствия между тяговыми свойствами тепловозного дизеля и требованиями тяговой службы устраняют применением специальных промежуточных устройств, которые называют передачей тепловоза. В зависимости от способа и средств передачи энергии от коленчатого вала дизеля к колесным парам на тепловозах практическое применение имеют три типа передач: электрическая, гидродинамическая и механическая. В рамках данного пособия рассматривается электрическая передача мощности получившая, в силу ряда преимуществ, наибольшее распространение в современном тепловозостроении.