Тяговые и экономические свойства дизелей

§ 11. Тяговые и экономические  свойства дизелей

Рассмотрим основные свойства и характеристики тепловозного дизеля, а также оценим их влияние на тяговые возможности автономного локомотива.

Свойство 1. Основной характеристикой тепловозного дизеля является эффективная (на коленчатом валу дизеля) мощность N_е, которая может быть рассчитана по формуле (ее вывод подробно рассмотрен в § 8):

, кВт         (1),

где 100/3 коэффициент размерности; Р_е — эффективное давление, МПа; —тактность дизеля; n_е—частота вращения вала дизеля, об/мин; z—число цилиндров; V_h — рабочий объем тепловозного дизеля, м³ (, где D—диаметр цилиндра, м;S—ход поршня, м).

Из формулы (1) следует, что в реальной эксплуатации машинист имеет возможность управлять работой дизеля, изменяя лишь два параметра: частоту вращения коленчатого вала дизеля n_е и среднее эффективное давление Р_е. Следовательно, формулу (1) можно значительно упростить,

, кВт        (2),

где С₁ — коэффициент, учитывающий влияние постоянных параметров на эффективную мощность дизеля.().

Рекомендуемые материалы

В § 9 было установлено, что величина среднего эффективного давления Р_е зависит, в основном, от цикловой подачи топлива в цилиндр g_е при обеспечении заданного давления наддувочного воздуха. При постоянном положении органа подачи топлива — рейки топливных насосов дизеля, цикловая подача топлива g_е не изменяется, т.е. g_е = const. В этом случае (при g_е = const) среднее эффективное давление также является постоянной величиной, т.е. Р_е = const.

Выражение (2) преобразуется в уравнение прямой, проходящей через начало координат:

, кВт                                          (3),

где С₂ — постоянный коэффициент (С₂ = C₁∙ P_e).

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

На рис. 31 приведены теоретические характеристики изменения эффективной мощности дизеля N_е от частоты вращения коленчатого вала n_е для трех значений цикловой подачи топлива  (показаны штриховыми линиями).

В реальных тепловозных дизелях характер изменения эффективной мощности N_е = f(n_е) при g_е = const несколько отличается от теоретического, кстати, примерно так же, как отличаются теоретический и реальный циклы дизеля (см. § 6). Различия реальной и теоретической характеристик N_е = f(n_е) на рис. 31 показаны в виде заштрихованной площади.

Свойство 2. Тепловозный дизель работает устойчиво в ограниченном диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала - от наименьшего n_emin до максимального n_emax значений (см. рис. 31).

Наименьшая частота вращения n_emin примерно соответствует холостому ходу n_exx дизеля. Для каждого типа двигателя величина n_exx устанавливается отдельно при

              Рис.31                                 приемо-сдаточных испытаниях и находится в пределах от 25 до 40 % максимального (номинального) значения частоты вращения.

Возможность эксплуатации дизеля при n_e < n_exx ограничена следующими обстоятельствами: наблюдаются нестабильность величины n_е 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 появляется вероятность попадания в зону критических резонансных частот коленчатого вала, что может привести к его разрушению. И главное — при уменьшении частоты вращения коленчатого вала n_е < n_ехх ухудшаются условия для полного сгорания и надежного самовоспламенения топлива, так как при снижении скорости движения поршня уменьшаются давление, температура 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, так как при увеличении величины n_е возрастает износ деталей дизеля, работающих в условиях трения скольжения. Кроме того, при n_е > n_emax возрастают механические потери, а эффективный кпд дизеля резко снижается. В двухтактных дизелях, в свою очередь, при увеличении частоты вращения коленчатого вала более величины n_emax заметно ухудшается очистка цилиндров от продуктов сгорания, что дополнительно снижает экономичность рабочего процесса и двигателя в целом. Обычно для тепловозных дизелей наибольшая частота вращения коленчатого вала n_emax совпадает с ее значением на номинальном режиме n_еном, т.е. n_еном = 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. 29) соответствуют номинальная эффективная мощность дизеля N_еном и номинальная частота вращения коленчатого вала n_еном. Графическая зависимость эффективной мощности N_е от частоты вращения n_е в диапазоне n_ехх — n_еном, проходящая через номинальный режим работы (линия А — В на рис. 29) при постоянном положении органа подачи топлива, называется внешней скоростной характеристикой дизеля.

Необходимо также отметить, что в диапазоне n_ехх — n_енoм дизель работает устойчиво не при любых частотах вращения n_е, а при определенных, фиксированных значениях, которые устанавливаются машинистом в соответствии с позицией рукоятки контроллера. Таких фиксированных положений на тепловозе обычно бывает от 8 до 15 (на тепловозах ТЭЗ и ТЭ7 — 16). Каждой позиции рукоятки контроллера машиниста соответствует своя цикловая подача топлива. Вертикальными линиями на рис. 29. показаны нагрузочные характеристики дизеля, соответствующие фиксированным частотам вращения коленчатого вала n_ехх, n_е1... n_еном.

Свойство 3. Дизель не запускается под нагрузкой. В момент запуска дизеля его коленчатый вал должен быть отсоединен от колесных пар локомотива. В момент трогания локомотива с места эффективная мощность дизеля должна быть вновь подведена к колесным парам. На автомобилях с механической коробкой передач эти операции осуществляются с помощью механической муфты сцепления. На магистральных тепловозах, мощность которых в сотни раз превосходит мощность легковых автомобилей, применение механической муфты сцепления оказалось неэффективным вследствие ее низкой надежности.

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

Свойство 5. Эффективный вращающий момент М_е дизеля в рабочем диапазоне частот вращения n_ехх — n_еном изменяется незначительно.

Из школьного курса физики хорошо известно уравнение, позволяющее связать основные параметры механической энергии — вращающий момент, механическую мощность и частоту вращения тела. Применительно к дизелю эту связь можно выразить следующим равенством:

М_е = С₃N_е/n_е, Н∙м      (4),

где С₃ — постоянный коэффициент (С₃ = 974).

Подставив выражение (2) в уравнение (4), получим:

М_е = С₃С₁Р_еn_е/n_е = С₄Р_е, Н∙м         (5),

где С₄ — постоянный коэффициент (С₄ = С₁∙С₃ = 974∙С₁).

Рис.32. Зависимости эффективного вращающего момента тепловозного дизеля от частоты вращения его коленчатого вала

При неизменном положении органа подачи топлива среднее эффективное давление Р_е является постоянной величиной, т.е. Р_е = const. В соответствии с выражением (5) величина эффективного момента М_е при Р_е = const также будет постоянной, не зависящей от изменения частоты вращения коленчатого вала дизеля. На рис. 32 теоретическая характеристика М_е = f(n_е) показана штриховой линией. Вследствие различий в теоретическом и действительном рабочих процессах, происходящих в цилиндре дизеля, реальная характеристика эффективного момента в рабочем диапазоне дизеля n_ехх — n_еном будет несколько отличаться от теоретической характеристики  М_е = f(n_е).

Различия между этими характеристиками показана на рис. 32 заштрихованной площадью.

Зададимся вопросом: как это свойство может отразиться на тяговых возможностях локомотива? Представим, что коленчатый вал дизеля, например, 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 локомотива М_к будет равен эффективному моменту на валу дизеля М_е, т.е. М_к = М_е.

Кстати, именно таким путем шел изобретатель дизеля немецкий ученый Рудольф Дизель, который в 1913 г. по заказу Прусских железных дорог построил пассажирский тепловоз мощностью 700 кВт (960 л.с.) с так называемой «непосредственной» передачей мощности дизеля. Уже после первых опытных поездок выявилась полная непригодность этого тепловоза для работы на железных дорогах, и в 1914 г. локомотив был продан на слом. В чем же главная причина неудачи Рудольфа Дизеля?

Как известно, величина силы тяги F_к, создаваемая при взаимодействии колесных пар локомотива с рельсами, зависит от М_к и диаметра колесных пар Д_к, т.е. при отсутствии скольжения колес по рельсам F_к = 2М_k/Д_k. В соответствии со свойством 5 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_к, создаваемая этим локомотивом, не будет изменяться во всем скоростном диапазоне работы тепловоза, т.е. F_к = const. На рис. 33 показана тяговая характеристика F_к = f(V) тепловоза с непосредственной передачей в виде прямой b — а.

Чем такая тяговая характеристика не удовлетворяет тяговым свойствам локомотива? Какая форма тяговой характеристики для поездной работы локомотива является самой лучшей, или, как обычно говорят, идеальной?

Прежде чем ответить на эти вопросы, напомним физический смысл такой важной характеристики любого локомотива, как его касательная мощность N_k. Она может быть определена на ободе ведущих колес. N_k целиком и полностью зависит от величины эффективной мощности тепловозного дизеля N_e и всегда меньше ее на величину потерь энергии в узлах тяговой передачи и экипажа, а также затрат части величины N_е на привод вспомогательных машин и оборудования локомотива.

Касательная мощность тепловоза N_к также может быть определена с помощью следующего равенства:

N_k = F_kV/3600, кВт          (6),

где F_к — касательная сила тяги, Н; V — скорость движения, км/ч.

Как уже ранее отмечалось, для тепловоза с непосредственной передачей во время его движения значение силы тяги не будет изменяться, так как F_к = const. В этом случае равенство (6) преобразуется в уравнение прямой, проходящей через начало координат N_к = С₅V, где С₅ — постоянный коэффициент (С₅ = F_к/3600). На рис. 33 также показан характер изменения касательной мощности N_к = f(V) тепловоза с непосредственной передачей в виде прямой В — А.

Что означает такой характер изменения касательной мощности? В момент трогания и разгона тепловоза с составом поезда при таком типе передачи касательная мощность на ободе колес отсутствует, т.е. N_k = 0. Нужен еще один локомотив, который бы предварительно разогнал такой поезд. А если произойдет непредвиденная остановка поезда на перегоне? Это и ряд других серьезных обстоятельств доказывают ошибочность пути, выбранного Рудольфом Дизелем при создании тепловоза с непосредственной передачей.

Какая же форма тяговой характеристики является наилучшей для автономного транспортного средства? В соответствии со свойствами 1 и 2 тепловозных дизелей их эффективная мощность N_е и, следовательно, касательная мощность N_к автономного локомотива ограничены по величине. По логике вещей, если на локомотиве установили дизель номинальной мощностью, например, 3000 кВт, то в процессе поездки машинист должен иметь возможность полного использования мощности этого дизеля, например, при движении с тяжеловесным поездом по затяжным подъемам. В противном случае возникает закономерный вопрос: зачем нужно было приобретать такой мощный тепловоз, если для вождения поездов были достаточны локомотивы меньшей мощности? Ведь хорошо известно, что цена любого транспортного средства, в первую очередь, зависит от мощности силовой установки.

Итак, в идеале касательная мощность локомотива при его движении с любыми скоростями должна быть величиной постоянной, т.е. N_к = const, что обеспечит полное использование мощности его силовой установки. Тяговую характеристику локомотива, соответствующую условию N_к = const, называют идеальной. При данном условии выражение (6) становится уравнением гиперболы. В математике гиперболой называют кривую, произведение координат каждой точки которой равно одной и той же величине, в нашем случае F_кV = const.

На рис. 34 показана идеальная форма тяговой характеристики F_к = f(V) автономного локомотива (с естественными для локомотивов ограничениями F_k и V), и зависимость его касательной мощности от скорости движения N_k = f(V). Более подробно о том, с помощью каких технических устройств и узлов на тепловозах обеспечивается полное использование мощности дизелей при изменении скорости движения поездов, мы поговорим в следующей статье.

Пока лишь можно констатировать, что 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. 33) не должны превышать 5 %. В противном случае дизель может заглохнуть, что чревато остановкой поезда, например, при движении по затяжному (расчетному) подъему. Дальнейшее движение поезда по участку в этом случае без дополнительного (вспомогательного) локомотива становится невозможным.

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 несложно 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 сказалось бы на надежности среднеоборотных ДВС, применяемых на тепловозах.

Свойство 8. Экономичность дизеля в рабочем диапазоне частоты вращения коленчатого вала n_еxx — n_еном неодинакова. Обычно экономичность дизеля оценивают величинами эффективного удельного расхода топлива g_е, кг/кВт∙ч и эффективного кпд дизеля. Физический смысл удельной величины g_е такой: сколько килограммов топлива нужно сжечь в цилиндре дизеля, чтобы получить 1 кВт мощности в течение 1 ч. Величину g_е определяют экспериментальным путем.

Эффективный кпд дизеля определяют по следующей зависимости:

,

где  — низшая теплота сгорания 1 кг топлива, кДж/кг.

На рис. 35 приведены удельные характеристики экономичности тепловозных дизелей,

g_е = f(n_е) и η_е = f(n_е).

В лекции "Вопрос 23" также много полезной информации.

Из рис. 35 следует, что наивысшая экономичность дизеля примерно соответствует номинальному режиму его работы. Современные дизели на номинальных режимах работы имеют удельные эффективные расходы топлива g_еном в пределах 0,2 — 0,22 и эффективный кпд η_е = 0,39 — 0,43 кг/кВт∙ч.

Какие же напрашиваются основные выводы из рассмотренных свойств тепловозных дизелей?

1. Дизель невыгодно эксплуатировать при различных режимах работы. А как выгодно? Видимо, в области номинального режима (см. рис. 35).

2. Дизель по своим тяговым свойствам не отвечает требованиям (свойства 3 — 6), предъявляемым к силовой установке тепловоза и плохо приспособлен к тяговой (транспортной) службе.

А нельзя ли создать для тепловозов специальный транспортный реверсивный дизель, характеристика М_е = f(n_е) которого имела бы вид гиперболы (как, например, у паровой машины)? Выдающийся русский ученый, профессор МВТУ В.И. Гриневецкий в начале XX в. дал ответ на этот вопрос. Он в 1906 — 1908 гг. спроектировал, построил и испытал двухтактный нефтяной реверсивный ДВС с требуемой моментной характеристикой. Двигатель В.И. Гриневецкого оказался довольно сложным, каждый его рабочий блок цилиндров состоял из трех параллельно расположенных цилиндров. Как следствие, его надежность оказалась недостаточной для использования на транспортных средствах.

Поэтому отечественное и мировое тепловозостроение с самого начала развития (с 1924 г.) пошло по другому пути — применению на локомотивах дополнительного узла — передачи.