Что дает экономия топлива?

Для работы двигателя внутреннего сгорания необходимо топливо. Топливо — богатство    страны.  Добыча топлива, в частности нефти, его переработка, перевозка и хранение требуют больших затрат труда. Почти половина расходов, связанных с содержанием и эксплуатацией тепловозов, приходится на топливо. А ведь дизельными локомотивами выполняется около половины всех перевозок, осуществляемых на стальных магистралях нашей страны. Чтобы обеспечить работу тысяч тепловозных дизелей, железнодорожный транспорт потребляет дизельного топлива около 18% от общего производства его в стране. Поэтому даже самая небольшая экономия дизельного топлива в масштабе всей железнодорожной сети приобретает государственное значение. Покажем это на таком  примере. Возьмем одну тысячу двухсекционных тепловозов ТЭЗ мощностью 2940 кВт (4000 л. с.) и подсчитаем, сколько потребуется топлива, чтобы эти локомотивы могли работать в течение только 1  ч. Мощность дизелей всех тепловозов   составит 1000X2940 = 2 940000 кВт, или 1000X4000 = 4000000 л. с. Дизель тепловоза ТЭЗ на каждый киловатт своей мощности в течение 1 ч расходует 231 г (или 170 г на каждую лошадиную силу) дизельного топлива, а 2 940 000 кВт (или 4 000 000 л. с.) потребуют 2 940 000X231=680 т. Это за один час. Если считать, что тепловоз работает в полную нагрузку только половину суток, то за это время будет израсходовано (не учитывая работу дизеля на холостом ходу) дизельного топлива 680x12 = 8160 т. Если экономить 1% топлива, то это составит за каждые сутки 81,6 т, а за год 81,6X365 = 30 000 т. Целое озеро дизельного топлива, для перевозки которого потребуется 10 — 12 тяжеловесных составов! Но это только 1000 тепловозов. А в масштабе всей сети железных дорог? Можно представить,  сколько  миллионов рублей будет сбережено в год, если к тому же учесть и сокращение расходов, связанных с добычей и транспортированием  топлива. Вот почему придается большое значение вопросам экономии топлива как при создании новых тепловозов, так и при их модернизации: идет напряженная борьба за каждый грамм удельного расхода дизельного топлива. В этой связи трудно переоценить значение новых четырехтактных дизелей. Например, дизели 5Д49 на режиме номинальной мощности расходуют на один киловатт-час 211 г дизельного топлива вместо 218 г, расходуемых двухтактными дизелями 10Д100, установленными на тепловозах 2ТЭ10Л и 2ТЭ10В. Для того чтобы оценить, насколько полно используется в дизеле теплота, полученная при сжигании топлива, пользуются понятием коэффициента  полезного действия   (к.  п. д.).

Коэффициент полезного действия дизеля и баланс энергии в дизеле

Отношение теплоты, эквивалентной произведенной работе на коленчатом валу, ко всей подведенной теплоте за счет сгорания топлива называется коэффициентом полезного действия дизеля. Коэффициент полезного действия современных тепловозных дизелей достигает 34 — 36%. К. п. д. самого тепловоза при этом ниже, так как, кроме потерь в самом дизеле, имеют место и потери в электрической передаче,  которые  складываются   из    потерь в тяговом генераторе, тяговых электродвигателях и в зубчатых колесах. Необходимо учитывать также затраты дизелем энергии на приведение в действие вспомогательных агрегатов тепловоза, например вентилятора холодильника, компрессора и др. Если принять к. п. д. электрической передачи равным 0,85, а коэффициент, учитывающий затраты энергии на собственные нужды, равным 0,9, то к. п. д. тепловоза (при к. п. д. дизеля 34—36%) будет составлять 26— 28%. В любом современном дизеле есть потери теплоты, т. е. в соответствии с теорией преобразования теплоты в работу к. п. д. двигателя внутреннего сгорания всегда меньше 100%. Тепловозный дизель в этом отношении (по к. п. д.) является, довольно совершенным двигателем. Как отмечалось выше, его к. п. д. в несколько раз превосходит к. п. д. паросиловой  установки   паровоза. Необходимо, однако, отметить, что к. п. д. локомотивных тепловых двигателей, в том числе и дизелей, на номинальном режиме не может полностью характеризовать их экономичность в эксплуатации, так как на этом режиме тепловоз работает обычно не более 10% времени. Локомотивные двигатели эксплуатируются при переменных нагрузках, а длительное время (около 40— 50% общего времени) на холостом ходу. В этих условиях расход топлива на единицу выполненной дизелем работы увеличивается. Объясняется это в основном ухудшением процесса смесеобразования и сгорания топлива в цилиндрах. Однако даже и в этом отношении, что очень важно, дизель по сравнению  с другими тепловыми двигателями отличается совершенством: расход топлива на холостом ходу относительно невелик (около 3% полного расхода). Хотя к. п. д. дизеля выше к. п. д. паросиловой установки паровоза, но все же он до обидного мал. Посудите сами: только одна треть всей выделяемой в цилиндрах дизеля тепловой энергии превращается в полезную работу, а остальная часть просто пропадает даром. Чтобы понять, почему самый совершенный из тепловых поршневых двигателей — дизель является в то же время относительно далеко несовершенным и почему так трудно поднять к. п. д. дизеля, обогатимся некоторыми сведениями о балансе тепловой энергии (рис. 39), затрачиваемой в нем.

Рис. 39. Тепловой баланс дизеля

Из чего складываются потери тепла   в  дизеле? Отработавшие газы, покидая силовую установку, уносят с собой около 30 — 32% тепла, внесенного с топливом. Другой, существенной потерей является отвод тепла в воду и масло. Детали дизеля от трения и соприкосновения с горячими газами нагреваются. Чтобы детали не перегрелись и не вышли из строя, их надо непрерывно охлаждать. Потери тепла за счет охлаждения деталей водой и маслом достигают 27—30%. Кроме того, топливо в цилиндрах сгорает не полностью, имеются потери топлива в окружающую среду и т. д. Если сложить все потери, то окажется, что в рассматриваемом балансе дизеля бесполезно расходуется около 64% тепловой энергии дизельного топлива, а на полезную работу используется только 36%. Задача конструкторов и эксплуатационников — снижать потери энергии, но не в ущерб   надежности   дизелей. Для дальнейшего повышения топливной экономичности тепловозных дизелей важно совершенствовать их рабочий процесс, особенно на частичных   нагрузках. Большое значение имеет создание агрегатов наддува с более высоким к, п. д., а также переход на неохлаждаемые   выпускные   коллекторы. Своевременный и высококачественный ремонт топливной аппаратуры, тщательная очистка выпускных и продувочных окон в цилиндровых втулках, правильная регулировка дизелей после ремонта — все это позволяет значительно снизить расход топлива на тепловозах в эксплуатации.