Пути повышения мощности дизелей

Пути повышения мощности дизелей

Повысить агрегатную эффективную мощность дизеля можно, изменяя следующие шесть его параметров: диаметр цилиндра D, ход поршня S, частоту вращения вала n_е, число тактов , число цилиндров z и, наконец, эффективное давление Р_е. Рассмотрим возможные пути повышения эффективной мощности тепловозных дизелей и попробуем дать оценку их эффективности.

1 Увеличение диаметра цилиндра D. Это достаточно простой и эффективный способ повышения мощности дизеля вследствие их квадратичной зависимости (см. формулу 6). Другими словами, увеличение диаметра цилиндра, например, в два раза позволяет повысить эффективную мощность дизеля в 4 раза.

Обратимся к данным табл. 19, где приведены основные параметры отечественных тепловозных дизелей. Из нее следует, что данный путь повышения агрегатной мощности широко используется в практике отечественного дизелестроения. Так, если диаметр цилиндров дизелей типа 2Д100 первых серийных магистральных тепловозов ТЭЗ составлял 207 мм, то этот же параметр для современных дизелей типа Д49 (установлен на сериях теп­ловозов 2ТЭ121, ТЭП70, ТЭП70БС, 2ТЭ116, ТЭМ7, ТГМ6 и др.) уже равен 260 мм, а для опытных дизелей типа Д56 даже 320 мм.

Что же может ограничить увеличение диаметра цилиндра? Обратимся к рис. 3, на котором показано размещение дизеля на односекционном магистральном тепловозе. Как отмечалось ранее, отечественные магистральные тепловозы строят исключительно кузовного типа. Для прохода локомотивной бригады из одной кабины машиниста в другую (или из одной секции в другую) и обслуживания силового оборудования между дизелем и стенками кузова предусмотрены проходы, ширина которых (размеры «а») по логике не должна быть меньше ширины взрослого человека. Габаритные размеры отечественных тепловозов, в свою очередь, ограничены габаритами подвижного состава Т или 1Т. Наиболее распространенный на российских железных дорогах габарит 1Т имеет наибольшие предельные размеры В×H = 3400×5300, мм.

Рис. 19. Расположение дизеля в машинном отделении тепловоза:

Д — дизель; КМ — кабина машиниста; L, В, Н — соответственно длина, ширина и высота тепловоза; I, b, h — соответственно длина, ширина и высота дизеля; а — проход в кузове тепловоза

Итак, ширина тепловоза В ограничена габаритом 1Т, поэтому дальнейшее увеличение диаметров цилиндров и, соответственно, ширины дизеля «b» (см. рис. 19) возможно лишь за счет сокращения ширины проходов, что вряд ли целесообразно. Уже сегодня на некоторых сериях магистральных тепловозов (2ТЭ121, 2ТЭ136, ТЭП70 и др.) вследствие сокращения величины «а» проход обслуживающего персонала через машинное отделение во время их движения представляется довольно непростой задачей, так как температура поверхности дизеля при эксплуатации тепловоза может достигать 100 °С и более.

Рекомендуемые материалы

На маневровых тепловозах капотного типа данное ограничение величины D менее ощутимо. Например, дизель типа ПД1М тепловоза ТЭМ2 имеет диаметр цилиндров D = 318 мм, а тепловоза ЧМЭЗ — D = 310 мм.

2 Увеличение хода поршня S. Второй путь повышения эффективной мощности дизеля — увеличение S. Для тепловозных дизелей ход поршня обычно выбирают по отношению к диаметру цилиндра D из соотношения S/D = 1... 1,3. Для современных дизелей, например, типа Д49 S = D (т.е. S/D = 1). Другими словами, поперечное сечение дизеля напоминает форму квадрата или прямоугольника, высота h которого больше ширины b. Именно такая форма поперечного сечения дизеля наиболее эффективна с позиций отвода теплоты от его узлов в процессе эксплуатации на тепловозе. От величины S напрямую зависит высота дизеля h (см. рис. 19). Ограничением здесь является наибольшее предельное значение высоты тепловоза Н, устанавливаемое габаритами подвижного состава.

3 Увеличение частоты вращения коленчатого вала n_е. При повышении быстроходности дизеля (величины n_е), как уже отмечалось ранее, возрастает число ходов и скорость движения поршня и, соответственно, число рабочих циклов за единицу времени. С другой стороны, увеличение скорости движения поршня приводит к росту интенсивности износа многих деталей шатунно-кривошипной группы, работающих в условиях трения скольжения, и ухудшению условий очистки цилиндров в двухтактных дизелях. В результате снижаются надежность работы и моторесурс дизеля (срок службы). Срок службы российских магистральных тепловозов обычно составляет 20 — 25 лет (требования ГОСТ).

Очевидно, моторесурс дизеля должен соответствовать сроку службы тепловоза. В этой связи на отечественных магистральных тепловозах применяют дизели средней быстроходности с частотой вращения вала n_е = 750 — 1100 об/мин и средней скоростью поршня 7 — 9 м/с, обеспечивающие заданный срок службы локомотивов (см. табл. 1).

В свою очередь, на морских судах, которые месяцами могут находиться в плавании, нашли применение, в основном, тихоходные дизели с n_е = 60 — 100 об/мин, что обеспечивает более высокий уровень надежности и больший моторесурс их силовых установок.

4 Увеличение числа цилиндров z. Это, пожалуй, на сегодня наиболее распространенный в тепловозостроении способ увеличения эффективной мощности дизеля. Обычно на базе одной отработанной конструкции дизеля создают мощностной ряд с различным числом цилиндров. В качестве примера в табл. 2 приведен мощностной ряд дизеля типа Д49, созданного на Коломенском тепловозостроительном заводе (ныне ОАО ХК «Коломенский завод»). Применение на тепловозах дизелей одного мощностного ряда, с одной стороны, позволяет унифицировать многие узлы дизелей и упростить ремонтное производство, с другой — более эффективно решать задачи повышения их топливной экономичности и надежности работы узлов в эксплуатации.

Мощностной ряд дизеля Д49

Таблица 2

* опытные или модернизированные образцы

Чем ограничено увеличение числа цилиндров? Во-первых, габаритными размерами тепловоза. Увеличение величины z неизбежно приведет к увеличению длины рядного дизеля I (см. рис. 19) и, как следствие, к росту длины тепловоза L. Наибольшая предельная длина одной секции магистрального тепловоза составляет примерно 25 м и обусловлена минимальным радиусом кривых, проходимых локомотивом (примерно 125 м).

Во-вторых, увеличение числа цилиндров приводит к усложнению конструкции и, что самое главное, увеличению длины коленчатого вала дизеля, так как все поршни работают на один вал. В многоцилиндровом дизеле каждый цилиндр включается (когда поршень совершает рабочий ход) в строго определенной последовательности. Интервал времени или угол поворота коленчатого вала включения цилиндров: зависит от величины z.

Рис. 20. Схемы V-образного (а) и ∆-образного дизелей (б)

Например, в двухтактном вертикальном рядном дизеле 10Д100 (тепловоз 2ТЭ10М) с z = 10 цилиндры включаются в работу в такой последовательности: 1—6—10—2—4—9—5—3—7—8, через 36° поворота коленчатого вала (360°: 10 = 36°). В соответствии с порядком работы цилиндра все 10 шатунных шеек коленчатого вала; находятся по отношению друг к другу под углом 36°. Конструкция коленчатого вала в этом случае получается исключительно сложной, что снижает надежность работы таких дизелей.

Дальнейшее увеличение величины а (см. рис.19) для вертикального рядного дизеля еще более усугубило бы данную проблему. Какой: же выход? Дизелестроители создали конструкции ДВС с самыми; разными способами расположения цилиндров относительно дольной плоскости дизеля.

Наибольшее распространение получили дизели с таким расположением цилиндров: V-, ∆-, □- и ×-образные. Применение таких типов дизелей позволило многократно увеличить число цилиндров и, пропорционально, величину N_е, не изменяя длину дизеля, по сравнению с рядными ДВС. Ширина, высота и, разумеется, масса таких типов дизелей при этом увеличились.

Вследствие ограниченных габаритов машинного отделения на тепловозах нашли применение лишь рядные и V-образные дизели (рис. 20,а). Остальные типы дизелей применяют на мощных морских судах, габариты которых иногда позволяют установить дизели величиной с пятиэтажный дом мощностью 100 тыс. кВт и более.

Опытным путем было установлено, что предельное значение величины z для рядных тепловозных дизелей составляет 10, для V-образных — 20.

5 Число тактов . Из формулы (8) следует, что мощность двухтактного дизеля при прочих равных условиях должна быть в два раза больше четырехтактного. Так ли это в действительности?

Сравним индикаторные диаграммы четырех- и двухтактного дизелей (рис. 21,а и 21,б), имеющих одинаковые параметры D, S, n_е, z. На рис. 21, в также показан цилиндр двухтактного ДВС с продувочными окнами 6. С помощью индикаторных диаграмм определим индикаторные давления P_i обоих типов дизелей, для чего криволинейную площадь f Р-V-диаграммы каждого дизеля заменим на прямоугольник равной площади с основанием S.

Вследствие конструктивных особенностей этих двух типов дизелей рабочий ход поршня четырехтактного дизеля S_раб4 равняется полному ходу поршня S (см. рис. 21,а), у двухтактного (см. рис. 21,б и 21,в) рабочий ход S_раб2 меньше S на высоту продувочных окон 6. В этой связи индикаторные давления Р_i, (высоты прямоугольников) рассматриваемых двух типов дизелей будут всегда разными, т.е. всегда имеет место неравенство Р_i4 > Р_i2 (при прочих равных условиях). Так как среднее эффективное давление (см. рис. 18) равно Р_е = Р_i - Р_м, то при Р_м = conct можно утверждать, что среднее эффективное давление четырехтактных дизелей Р_е4 всегда выше двухтактных Р_е2, что подтверждают опытные данные.

Рис. 21. Сравнение индикаторных диаграмм четырехтактного и двухтактного дизелей:

а — индикаторная диаграмма четырехтактного дизеля; б — индикаторная диаграмма двухтактного дизеля; в — цилиндр двухтактного дизеля

Другое обстоятельство. Можно ли в одинаковых по размерам цилиндрах этих двух типов дизелей сжечь равное количество топлива за один цикл? Количество сгоревшего в цилиндре топлива, в результате чего совершается полезная работа газов за цикл (площадь I Р-V-диаграммы), пропорционально количеству воздуха (точнее кислорода воздуха), находящегося в цилиндре в конце такта сжатия. Как мы установили ранее, S_раб4 > S_раб2. следовательно, степень сжатия или количество (масса) воздуха в четырехтактном дизеле будет выше, чем в двухтактном.

Количество кислорода в конце такта сжатия зависит также от качества очистки (продувки) цилиндра дизеля от отработавших газов предыдущего рабочего цикла. В четырехтактных дизелях на очистку цилиндра отведен целый (четвертый) такт и газы выталкиваются днищем поршня, т.е. механическим воздействием. В двухтактных на очистку цилиндра от газов отведена лишь малая часть такта, и она осуществляется потоком свежего заряда воздуха (продувкой), что явно менее эффективно, чем в четырехтактных дизелях.

По этим и ряду других причинам индикаторные мощности двух одинаковых двух- и четырехтактных дизелей различаются не в два раза, а примерно на 50 — 70 %, т.е. N_i2 = (1,5... 1,7) N_i4, кВт.

Рассмотрим еще два дополнительных обстоятельства.

Бесплатная лекция: "Предпосылки формирования и оформления психологии как самостоятельной науки" также доступна.

Одинаковый ли срок службы (моторесурс) дизелей с различным числом тактов? Обратимся к рабочему процессу в цилиндрах дизелей. Четырехтактные дизели примерно 50 % времени (второй и третий такты) работают при высоких давлениях Р и температурах t, детали же двухтактных дизелей почти 100 % времени работают в экстремальных условиях (высокие Р и t). Поэтому моторесурс и надежность работы двухтактных дизелей уступают четырехтактным двигателям.

Одинаковая ли экономичность этих двух типов дизелей? Обычно экономичность дизелей оценивается удельным расходом топлива g_е, г/кВт∙ч. Полнота сгорания топлива зависит от качества воздуха в цилиндрах. Как отмечалось ранее, качество воздуха в цилиндрах четырехтактных дизелей выше, чем в двухтактных. Следовательно, экономичность четырехтактных дизелей выше, что подтверждается данными, приведенными в табл. 1.

На отечественных магистральных тепловозах по ряду причин примерно в равной степени применяют как четырехтактные, так и двухтактные дизели (см. табл. 1). Дело в том, что двухтактные дизели, по сравнению с четырехтактными, имеют более простую конструкцию и меньшие габариты при одинаковой мощности, дешевле в изготовлении.

По этим и ряду другим причинам некоторые ведущие тепловозостроительные фирмы США и Канады продолжают строительство двухтактных дизелей. Так, известная американская фирма «Дженерал Моторс» применяет на большинстве серий магистральных тепловозов 20-цилиндровый двухтактный дизель 645ЕЗА размерностью D/S = 23/25,4 и мощностью 2940 кВт, а также 16-цилиндровый двухтактный дизель 710G размерностью D/S = 23/27,9 и мощностью 2980 кВт. В то же время, даже специалисты фирмы «Дженерал Моторс» в США убедились в том, что дальнейшее повышение единичной мощности своих двухтактных дизелей имеет предел — примерно 3000 кВт.

В настоящее время отечественные и подавляющее большинство зарубежных тепловозостроительных фирм ориентируются на применение на тепловозах четырехтактных дизелей.

Влияние эффективного давления на мощность дизеля рассмотрим в следующем параграфе.