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 | ⇒