Дизель

Дизель не зря называют «сердцем» тепловоза, так как именно он обеспечивает жизнедеятельность силовой установки. Мощность его непрерывно увеличивают, с тем чтобы обеспечить повышение пропускной и провозной способности железных дорог. Для этого требуются тепловозы мощностью 4000-6000 л. с. в одной секции, так как увеличение мощности путем сочленения локомотивов с управлением по системе многих единиц себя не оправдывает. В табл. 3 показаны относительные расходы при одной и той же мощности тепловозов в одной, двух и трех секциях. За 100% приняты расходы при использовании трехсекционного тепловоза. Только благодаря применению односекционного тепловоза вместо трехсекционного достигается существенная экономия капитальных затрат, стоимости содержания и топлива.

Таблица 3

Влияние числа секций на расходы в процентах от расходов на трехсекционный тепловоз

Количество

секций

Статьи расходов

I

II

III

Капитальные затраты

60

80

100

Стоимость содержания

45

70

100

Стоимость топлива

85

95

100

Для увеличения мощности тепловозного дизеля существуют разные пути: повышение числа оборотов коленчатого вала, увеличение диаметра цилиндров дизеля и повышение его форсировки путем наддува.

Динамические и тепловые нагрузки деталей кривошипно-шатунного механизма возрастают по мере увеличения числа оборотов, так что большему числу оборотов соответствует меньший срок службы дизеля. Тепловозный же дизель должен работать со значительным моторесурсом порядка 30- 40 тыс. ч, следовательно, необходимо ограничивать число оборотов его коленчатого вала. Практически средняя скорость поршня у тепловозных двигателей находится в пределах 7- 10 м/сек, а соответствующее число оборотов 850-1100 в минуту.

За последние годы число оборотов крупных тепловозных дизелей не увеличивается, а понижается. Фирма MAN (ФРГ) провела сравнительные испытания двух дизелей с одинаковым средним эффективным давлением, но с различным числом оборотов- 1000 и 1500 в минуту. В ходе испытаний втулки цилиндров низкооборотного двигателя проработали в

1,8 раза дольше втулок высокооборотного. По подсчетам этой фирмы, эксплуатация высокооборотных двигателей обходится на 25% дороже, чем низкооборотных, даже с учетом того, что детали меньшего по размерам высокооборотного дизеля стоят дешевле, чем низкооборотного.

Эти данные подтверждаются и практикой постройки мощных тепловозных двигателей в США. Фирма «Дженерал Моторс» строит двухтактные дизели мощностью 3600 л. с. при числе оборотов 900 в минуту, а фирма «Дженерал Электрик» выпускает модели четырехтактных двигателей той же мощности, но с числом оборотов коленчатого вала 1050 в минуту. В Англии на тепловозах применяют четырехтактные двигатели фирмы «Зульцер» мощностью 4000 л. с. при 1100 об/мин.

Новые отечественные тепловозные четырехтактные дизели типа Д49 имеют при мощности 4000 л. с. число оборотов 1000 в минуту. Такое же число оборотов на номинальном режиме работы и у двигателей харьковского завода им. В. А. Малышева. Все это свидетельствует о том, что перспективный тепловозный дизель должен иметь ограниченное число оборотов коленчатого вала.

Размеры цилиндров и их количество определяют величину машины, которая для тепловозов ограничена габаритом. Шестнадцатицилиндровый дизель типа Д49 Коломенского завода мощностью 4000 л. с имеет длину 4700 мм, высоту - 2500 и ширину- 1550 мм при весе 16 т. На тепловозах ТЭЗ устанавливают двухтактные десятицилиндровые Дизели 2Д100 мощностью 2000 л с. Длина этого дизеля 6015 мм, высота- 3110 и ширина- 1440 мм. Сопоставляя дизели 2Д100 и Д49, можно сделать вывод, что двойная мощность достигнута практически без увеличения размеров, а лишь благодаря повышению цилиндровой мощности.

Среднее эффективное давление у дизеля 2Д100 составляет всего 6,23 кГ/см2 при диаметре цилиндра 207 мм. В современном двигателе Д49 это давление увеличено до 16,3 кГ/см2 при диаметре цилиндра 260 мм, а в дизеле фирмы «Дженерал Электрик» - до 17,8 кГ/см2 при диаметре цилиндра 229 мм. Другими словами, за последние 20-25 лет среднее эффективное давление возросло почти в 3 раза. Благодаря этому удалось существенно уменьшить вес двигателя на единицу мощности. Если у дизеля 2Д100 удельный вес составляет 9,7 кг/л. с, то у Д49 при 4000 л. с. эта величина снижается до 4 кг/л. с. А ведь снижение веса дизеля связано с соответствующим уменьшением его стоимости, что особенно важно для эксплуатации тепловозов.

Как же удалась столь существенно повысить среднее эффективное давление? Увеличение среднего эффективного давления может быть достигнуто двумя путями:

1) благодаря увеличению подачи топлива при постоянном количестве воздуха в цилиндре;

2) благодаря увеличению количества воздуха, подаваемого в цилиндр путем наддува.

Первый путь означает, что при лучшем распыливании топлива в камере сгорания удается работать с меньшим избытком воздуха. Теоретически для сгорания 1 кг жидкого топлива требуется 14,3 кг воздуха. Практически топливоподающая аппаратура дизеля не может обеспечить совершенное перемешивание частиц распыленного топлива с воздухом, поэтому для полного сгорания топлива требуется большее количество воздуха. Отношение действительного количества воздуха в цилиндре дизеля Ь к теоретическому /_о является важнейшим параметром работы транспортного двигателя и называется коэффициентом избытка воздуха:

Чем меньше коэффициент избытка воздуха, тем выше среднее индикаторное давление и температура газа внутри цилиндра и тем труднее работа топливоподающей аппаратуры. Современная топливоподающая аппаратура тепловозного дизеля способна обеспечить некоторые минимальные значения коэффициента избытка воздуха, ниже которых качество распыла топлива и его сгорание резко ухудшаются. Для тепловозных дизелей коэффициент избытка воздуха на номинальном режиме работы равен примерно двум. У лучших автомобильных дизелей он снижается до 1,4-1,6.

Второй путь форсирования двигателя значительно лучше и удобнее первого, так как увеличение среднего эффективного давления происходит без возрастания температурных напряжений при постоянном коэффициенте избытка воздуха. Достигается это путем подачи в цилиндры дизеля предварительно сжатого воздуха. Если цилиндры двух одинаковых двигателей заряжаются воздухом при давлении соответственно 2 и 1 ат, то при равной температуре свежего заряда и равных коэффициентах избытка воздуха при сгорании топлива температура рабочих циклов двигателей с наддувом и без него будет одинаковой. Это очень важное положение доказано теоретически и подтверждено практически. Именно этот путь и положен в основу форсирования мощности современных тепловозных дизелей.

Отечественные дизели ряда Д49 создавались специально для широкого применения на тепловозах. Мощностный ряд этих дизелей базируется на различных давлениях наддува и изменении числа цилиндров (табл. 4).

Табл. 4 показывает, что только благодаря повышению давления наддува в восьмицилиндровом двигателе удается повысить мощность с 1200 до 2000 л. с, т. е. почти в 2 раза.

В общем дизелестроении нашли широкое распространение как четырехтактные, так и двухтактные дизели. Для перепек»

Таблица 4

Мощностный ряд четырехтактных тепловозных дизелей Д49 при номинальном числе оборотов 1000 в минуту.

Давление нг

ддува, кГ/см2

Параметры

1,6

2,1

2,5

3,0

Среднее эффективное давление,

кГ]см2

9,79

12,23

16,3

19,6

Максимальное давление, кГ/см2

105

115

125

135

Удельный расход топлива,

г/л с.-ч

155

150

150

140

Количество тепла,

ккал/л. с -ч,

отводимого

в воду

210

180

155

130

в масло

50

50

50

45

в воздушном холодильнике

-

40

70

100

Мощность, л. с.

8-цилиндровый

У-образный двигатель

1200

1500

2000

-

16-цилиндровый

4000

У-образный двигатель

2400

3000

-

20-цилиндровый

У-образный двигатель

5000

6000

Таблица 5

Характеристики мощных зарубежных дизелей

Фирма (страна)

Обозначение по ГОСТу

Эффективная мощность, л с.

Число оборотов, об/мин

Среднее эффективное давление, кГ/см2

Удельный вес, кг/л. с.

«Дженерал Моторс» (США)

23,02 20ДН -1-

25,4

22,8 16ЧН ---

26,7

22,5

16ЧН 26,7 24

3600

900

9,91

5,77

«Алко» (США)

«Дженерал Электрик» (США) «Зульцер» (Англия)

3340 3600 4000

1100 1050 1100

15,63

17,8

16,2

5,67 5,84 4,63

АСММ (Франция)

22

16ЧН

23

3600

1350

16,0

4,16

MAN (ФРГ)

23

16ЧН -г 23

3340

15"00

13,1

3,14

тивных тепловозов представляет интерес прогноз на будущее: какие двигатели предпочтительнее? Двухтактные дизели имеют большую мощность, но меньший к. п. д. по сравнению с четырехтактными двигателями тех же размеров. Однако среднее эффективное давление в четырехтактных современных дизелях значительно выше, чем в двухтактных. Это объясняется большей величиной потерянной доли хода у двухтактных двигателей для нужд очистки и наполнения цилиндра свежим зарядом. Кроме того, в четырехтактном дизеле практически весь наддувочный воздух используется для сжигания топлива в цилиндре, в то время как в двухтактном часть воздуха затрачивается на продувку цилиндра сгорания от остаточных газов и не участвует в сгорании топлива. Все это привело к тому, что в настоящее время оба перспективных ряда отечественных тепловозных дизелей - коломенский Д49 и харьковский Д70 - базируются на четырехтактном принципе работы. В табл. 5 показаны характеристики мощных тепловозных дизелей в других странах, которые подтверждают справедливость нашего прогноза.

⇐ | Основные элементы тепловоза | | Тепловозы (итоги и перспективы) | | Передача | ⇒