.АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПРОГРЕВА ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Во время эксплуатации тепловозных дизелей в условиях пониженных температур окружающей среды встает необходимость их прогрева во время отстоя тепловозов. Прогрев требуется для поддержания рабочих температур воды, масла и топлива на уровне, обеспечивающем постоянную готовность дизеля к выполнению работы. Понижение температуры теплоносителей ниже допустимых параметров может вызывать при запуске дизеля температурные деформации, загустение масла и следовательно, резкое увеличение сопротивления и превышение предельно-допустимого давления в трубопроводах.
Пуск холодного дизеля также способствует появлению трещин в блоке и других узлах, нарушению плотности уплотнительных соединений в системе охлаждения и появлению других отрицательных факторов, в частности образования парафина в топливной системе, что приводит к засорению фильтров, с последующим выходом ее из строя, переохлаждение цилиндровых втулок может привести к опасному уменьшению зазоров между поршнем и гильзой, конденсации водяных паров на внутренней поверхности гильзы и к образованию сернистой кислоты, ведущему к коррозии. Все это приводит к снижению надежности работы дизеля, трубопроводов и холодильника, способствует увеличению расхода дизельного топлива. При низкой температуре окружающего воздуха осуществление прогрева является также средством обеспечивающим надежную герметичность множества уплотняющих элементов в системе охлаждения дизеля.
В эксплуатации простой тепловозов на тракционных путях локомотивных депо – неизбежно. При этом тепловозы эксплуатируемого парка находятся в «горячем» резерве, т. е. в постоянной готовности принять полную нагрузку при подаче под поезд. Эксплуатация дизеля при полной нагрузке разрешается при его прогретом состоянии. Следует отметить, что различают три тепловых состояния дизеля: нормальное (номинальное), прогретое и холодное. Например, для дизелей типа Д100,ПДГ-1М и K6S310DR тепловое состояние считается:
нормальным, если температура масла и воды на выходе из дизеля соответственно находится в пределах 60 – 75 и 70 – 80оС;
прогретым, если температура масла и воды находится между 40оС и нижним пределом нормальной температуры;
холодным, если температура масла и воды ниже 40оС.
Отсюда следует, что при отстое тепловозов в «горячем» резерве температура масла дизеля должна находится в пределах 40 – 60оС, а воды: 40 – 70оС.
Тепловозы простаивают на деповских путях на открытом воздухе. При остановке дизеля температура воды и масла снижается особенно быстро при низкой температуре окружающего воздуха. Поэтому для поддержания температуры воды и масла в указанных приделах, рекомендуемых инструкцией по эксплуатации тепловозов, осуществляется прогрев силовой установки. Прогрев можно обеспечить двумя различными путями:
а) подводом тепла от специального подогревателя (внешнего источника энергии) при неработающем дизеле;
б) работой самого дизеля.
В общем случае, первый способ прогрева силовых установок называется предпусковым, второй –самопрогревом.
Применение на тепловозах специальных систем прогрева должно способствовать максимальному сокращению непроизводительной работы тепловозов в режимах самопрогрева при отстое на тракционных путях локомотивных депо.
В настоящее время известны три способа предпускового прогрева силовых установок тепловозов, находящихся в отстое:
а) использование электроэнергии от стационарного источника;
б) использование котлов-подогревателей, работающих на жидком топливе или газе;
в) использование тепловой энергии котельных установок депо.
Самопрогрев дизелей тепловоза является наименее эффективным способом как с точки зрения сохранения эксплуатационной надежности, так и с точки зрения экономичности. Однако широкое его применение вынуждает исследователей искать пути совершенствования последнего.
1.1. Использование режима холостого хода
На основе обработки статистических данных по сети железных дорог северо-восточного региона России за последние десять лет, в частности по Южно-Уральской, Свердловской, Восточно-Сибирской, Западно-Сибирской, Красноярской, Забайкальской, Дальневосточной, Горьковской железным дорогам, были получены временные характеристики эксплуатации дизелей тепловозов на холостом ходу и под нагрузкой в холодное время года (рис. 1.1). Установлено, что тепловозный дизель работает в режиме самопрогрева 18 % от общего времени эксплуатации. Расход топлива при этом составляет 7,8 % от общего расхода на тягу поездов (рис. 1.2).
Рис. 1.1. Распределение времени работы тепловозов
Рис. 1.2. Распределение расхода топлива
Работа дизеля на холостом ходу с целью прогрева обычно происходит при его низком температурном состоянии, что значительно ухудшает протекание рабочего процесса, так как чрезмерно возрастает коэффициент избытка воздуха. Это приводит к снижению температуры рабочей смеси и, как следствие, увеличению периода задержки воспламенения. На холостом ходу также наблюдается некачественное распыление и сгорание топлива, приводящее к износу его в выхлопной тракт с выпускными газами, залеганию поршневых колец, интенсивному нагарообразованию на поверхностях выпускного тракта, а так же турбины турбокомпрессора. Неполнота сгорания топлива также приводит к разжижению моторного масла и, как следствие, вызывает повышенный износ узлов трения дизеля. Все это приводит к снижению ресурса дизеля и способствует увеличению удельного расхода топлива (рис. 1.3).
n
Рис. 1.3. Удельный эффективный расход топлива
Согласно инструкции по эксплуатации тепловозов 2ТЭ10В,М,У прогрев должен осуществляться периодической работой дизеля на позиции контроллера машиниста (КМ) не ниже восьмой. При назначении указанного режима прогрева принимается во внимание только одно условие – предотвращение разжижения масла топливом. Основная причина попадания топлива в масло – неправильная работа выключателей ВП6 и ВП9 топливных насосов. Кроме этой, основной, причины также можно отметить и такие, как неправильная и чрезмерная затяжка гаек крепления форсунок и установка на дизель топливных насосов разных групп. При устранении указанных неполадок разжижение масла топливом не наблюдается. Поэтому данное условие при выборе частоты вращения коленчатого вала дизеля при прогреве не является определяющим. Есть рекомендации, согласно которым системы тепловозов должны прогреваться работой дизеля на позиции КМ не выше четвертой. Однако в условиях локомотивных депо прогрев часто осуществляется постоянной работой дизеля на низких или нулевой позициях КМ. В большинстве случаев это объясняется отсутствием обслуживающего персонала, боязнью замораживания воды в системе дизеля, чтобы при подачи тепловоза под поезд оно не было ниже номинального. В противном случае при работе дизеля с полной нагрузкой снижается механический КПД, повышается тепловая напряженность цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и увеличивается расход топлива. Поэтому и выбран наиболее простой выход поддержания нормального теплового состояние дизеля при простое.
Однако применение дизеля в качестве источника тепловой энергии в тепловозных системах прогрева при относительной простоте решения проблемы имеет ряд существенных недостатков. К их числу относятся: недостаточная эффективность работы дизеля в режиме прогрева и, как следствие, большой расход топлива (в сравнении со способами предпускового прогрева); ухудшение рабочего процесса и ускоренный износ цилиндропоршневой группы при работе дизеля в циклическом режиме. Это привело к необходимости создания бортовых, или стационарных систем прогрева с использованием специальных генераторов тепла.
1.2. Использование специальных систем прогрева
В последние годы для уменьшения непроизводительных затрат топлива на прогрев транспортных силовых установок, в частности силовых установок тепловозов в период их отстоя, выполнен ряд работ по созданию систем прогрева.
Уже на первых отечественных тепловозах устанавливали специальные системы прогрева – в основном на базе водогрейных котлов, работающих на жидком топливе. Однако из-за сложности, недостаточной надежности и эффективности применявшихся водогрейных котлов, а также сравнительно низкой стоимости дизельного топлива в то время, от специальных систем прогрева отказались.
Развитие тепловозной тяги в районах Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока, а также значительный рост цен на дизельное топливо заставили спустя десятилетия вернуться к созданию тепловозных систем прогрева, но на более высоком техническом уровне.
В соответствии с современными требованиями система прогрева должна обеспечивать в зимних условиях эксплуатации тепловозов длительное поддержание, с минимальными энергетическими затратами, оптимальной температуры теплоносителей в системах силовой установки при неработающем дизеле как при отстое, так и в движении при отключении от тяги части секций локомотива.
Поставленную задачу можно решать с различной эффективностью многими способами. Об этом, в частности, свидетельствует нарастающее количество публикуемых патентов и результатов поисковых работ по системам прогрева силовых установок с дизелями, в том числе и тепловозных.
Все существующие и перспективные системы прогрева разделяются на: бортовые и стационарные.
Бортовые системы монтируются непосредственно на одной или нескольких секциях тепловоза и являются автономными по отношению к стационарным источникам энергии, что, несомненно, является их преимуществом.
Стационарные системы прогрева базируются на достаточно мощных котельных установках или электрических подстанциях, которые могут обеспечить прогрев силовых установок одновременно нескольких тепловозов. Недостатком стационарных систем прогрева является необходимость выделения специальных путей отстоя тепловозов, строительство теплоподготовительных пунктов, раздаточных колонок и т. д. Большинство существующих локомотивных депо стеснены территориально и реализация таких проектов в них затруднительна.
Для прогрева силовой установки, прежде всего, необходим источник (генератор) теплоты. В простейшем варианте бортовой системы прогрева им может служить дизель, который при работе тепловоза в режиме холостого хода отдает в виде тепла до 60 % энергии, внесенной с топливом, в охлаждающую воду и масло. Эффективность прогрева силовой установки дизелем существенно зависит от теплотехнического состояния прогреваемых элементов, скоростного режима работы дизеля и параметров окружающей среды.
Исследования, проведенные на маневровых и магистральных тепловозах, позволили установить оптимальные скоростные режимы работы дизеля при различных температурах окружающей среды, которые обеспечивают максимальное использование выделяющегося тепла для самопрогрева силовой установки. ВНИИЖТ и другими организациями разработаны специальные таблицы и автоматические устройства, обеспечивающие в зависимости от температуры окружающей среды поддержание необходимого скоростного режима работы дизеля путем установки соответствующей позиции контроллера машиниста. Система прогрева должна поддерживать температуру теплоносителей в системах дизеля на определенном уровне. У тепловозных дизелей этот уровень для охлаждающей воды и масла не должен быть ниже 40оС, что обеспечивает постоянную готовность тепловоза к принятию нагрузки. Поддерживать такую температуру можно двумя способами: либо плавным изменением количества тепла, подаваемого от источника в системы дизеля в зависимости от состояния окружающей среды, либо порционной подачей тепла путем периодического прогрева и соответственно охлаждения силовой установки в заданном температурном интервале.
Для систем прогрева, в которых в качестве источника энергии используется дизель, приемлем только второй способ, поскольку регулировка поступления тепла в прогреваемые системы может быть только ступенчатой, зависящей от устанавливаемого скоростного режима работы. В этом случае процесс прогрева силовой установки делится на последовательные циклы прогрева и охлаждения.
Необходимое количество тепловой энергии, подводимой в цикле прогрева, зависит от массы прогреваемых элементов, температурного диапазона прогрева, длительности режима и КПД используемого источника тепла. В цикле охлаждения энергия затрачивается только на привод циркуляционных насосов.
Снизить непроизводительные потери топлива при прогреве силовой установки работой дизеля можно уменьшением относительной длительности его работы в цикле прогрева.
Простейшим из путей решения этой задачи является увеличение продолжительности режима охлаждения, которое определяется временем падения температуры воды в наиболее интенсивно охлаждающихся участках до критических значений. В большинстве случаев такими участками являются нижние ярусы секций холодильника и трубопроводы, отводящие воду из радиаторов.
Для увеличения длительности режима охлаждения применяют
теплоизоляцию и дополнительные циркуляционные электрические насосы. Постоянно или периодически прокачивая теплоносители по системам, они обеспечивают равномерное их охлаждение и более полное использование тепла, аккумулированного элементами силовой установки. Повысить количество запасаемой тепловой энергии можно путем применения специальных тепловых аккумуляторов.
Уменьшение времени работы дизеля в режиме прогрева достигается за счет применения дополнительного электрического водогрейного котла, который питают от главного или вспомогательного генератора работающей секции прогреваемого тепловоза. Это мероприятие позволяет также за счет повышения частичной загрузки дизеля снизить нагарообразование в его цилиндрах и повышенный износ деталей.
Для ускорения прогрева можно использовать утилизированную энергию выпускных газов дизеля, температура которых на холостом ходу достигает 150оС.
В тепловозных силовых установках возможен прогрев не только дизеля и его систем, но и всех агрегатов, расположенных в кузове локомотива. Для этого в кузове с помощью вентилятора обеспечивается замкнутая или разомкнутая циркуляция воздуха, нагретого в радиаторах или тепловыделяющих электрических агрегатах, например, резисторах системы электродинамического тормоза тепловоза. Один из вариантов такого способа – замкнутая система циркуляции нагретого воздуха между дизельным помещением и охлаждающим устройством – реализована ВНИИЖТ, МИИТ и ПО «Лугансктепловоз»
(в настоящее время холдинговая компания ХК «Лугансктепловоз») на тепловозах 2ТЭ116, 2ТЭ121 и др.
Разработаны системы прогрева на базе использования тепловой энергии котельных установок депо, так называемые системы стационарного прогрева. В таких системах вода, циркулирующая по системам тепловозного дизеля, нагревается паром, который поступает из котельной, в специальном тепло-подготовительном пункте. Эти системы реализованы в нескольких локомотивных депо Горьковской железной дороги. Такой способ прогрева позволяет добиться снижения эксплуатационного расхода топлива тепловозами до 5 %.
В некоторых депо Горьковской железной дороги используется внешний источник энергии для запуска и остановки дизеля в автоматическом режиме,
т. е. в зависимости от температуры воды обеспечивается автоматический прогрев систем дизеля. Однако применение такого способа не исключает работу дизеля на холостом ходу. К тому же очень частый запуск приводит к резкому износу деталей в узлах трения и к значительному расходу электроэнергии АБ.
Не меньший интерес представляют работы по совершенствованию котлов-подогревателей, работающих в циклическом режиме. Работы по созданию таких систем на протяжении нескольких лет ведутся тепловозостроительными заводами, ВНИТИ, ВНИИЖТ и другими организациями. В качестве генератора тепла обычно используется водяной котел, работающий на жидком топливе или от электроэнергии. Возможно использование газообразного и твердого топлива.
Водогрейные котлы, работающие на жидком топливе, устанавливались серийно и в опытном порядке на тепловозах ТЭ3, ТЭ10, ТЭП60, ТЭМ1 и др. За рубежом, особенно на тепловозах, оборудованных системами парового отопления вагонов, применяются и паровые котлы. При этом прогрев силовой установки обеспечивается путем непосредственной подачи пара в систему охлаждения дизеля или через пароводяной теплообменник. Применение котлов-подогревателей на тепловозах позволяет значительно сократить расход топлива на прогрев с одновременным сохранением ресурса дизель-генератора. Наряду с этим, существенным недостатком применения котлов-подогревателей является то, что их энергообеспечение осуществляется от аккумуляторных батарей, что естественно сказывается на сроке службы последних. В числе других недостатков также следует отметить значительные габариты и вес агрегатов, необходимость переключения большого числа вентилей и кранов, несовершенство систем зажигания и, как следствие, ненадежность пуска котлов.
Существующие недостатки заставляют искать автономные источники электроэнергии для привода вспомогательного оборудования (водяного, масляного и топливного насосов), не зависящие от работы дизель-генератора тепловоза или аккумуляторных батарей. Для этой цели возможно использование вспомогательного двигателя внутреннего сгорания (ДВС), например на базе автомобильных дизелей небольшой мощности 30 – 60 кВт. В режиме прогрева дизель используется для привода электрического генератора, питающего водонагреватель и циркуляционные насосы. При этом полностью утилизируется тепло, уносимое водой, маслом и отработавшими газами. В результате КПД установки повышается до 90 %, обеспечивается высокая надежность работы и ресурс не менее 15 лет. Подобные установки, в частности, рекомендованы для массового внедрения на тепловозах железных дорог США. Созданы экспериментальные образцы водогрейных котлов, у которых энергия отходящих газов с помощью газовой турбины и генератора или полупроводниковых элементов преобразуется в электрическую в количестве, достаточном для привода одного или нескольких водяных циркуляционных насосов (0,3 – 1,2 кВт). Возможно создание таких установок и на базе паровых котлов.
Для магистральных тепловозов, которые состоят из двух, трех или четырех секций, существенную экономию энергоресурсов может дать применение электрических водогрейных и циркуляционных устройств с питанием от дизель-генераторной установки (ДГУ) одной секции. При этом обеспечивается автономность локомотива в режиме прогрева и подзарядка аккумуляторных батарей, а дизель работающей секции используется более эффективно за счет дополнительной нагрузки на него.
Появляется также возможность ускоренного прогрева силовых установок секций при одновременной работе дизелей и электронагревателей. В ПО «Лугансктепловоз» разработано несколько модификаций водяных котлов-подо-гревателей на базе нагревательных элементов мощностью 45 и 90 кВт, ведутся проработки котла мощностью 135 кВт. Проведенные стендовые испытания показали, что при относительно небольшой массе (113кг без воды) котел с нагревательным элементом мощностью 90 кВт обеспечивает удельный теплосъем с поверхности нагрева 304 кВт/м2, с объема – 1800 кВт/м3 и с массы – 0,81 кВт/кг.
Отдельную группу составляют системы прогрева на базе стационарных генераторов тепла – водяных и паровых котлов. Такие котлы отработаны, выпускаются серийно и имеют КПД 80 – 90 %. Они обычно имеют большую единичную мощность, что позволяет одновременно обслуживать несколько тепловозов. Прогрев силовых установок осуществляется горячей водой и маслом, подаваемыми в их системы по трубопроводам с быстроразъемными соединениями. Возможен подогрев масла путем его прокачки через тепловозный водомасляный теплообменник. В этом случае к тепловозу необходимо подводить электроэнергию для питания циркуляционного насоса. В результате усложняется система прогрева и особенно ее обслуживание в зимний период. Кроме того, появляется необходимость в дополнительных путях отстоя прогреваемых локомотивов, затрудняется их маневрирование. Поэтому прогрев на базе стационарных генераторов тепла в настоящее время применяется только в отдельных депо с развитым путевым хозяйством.
Анализ систем прогрева показывает, что в наибольшей степени задаче поддержания силовой установки тепловоза в постоянной готовности к принятию нагрузки отвечают автономные системы прогрева. Однако настоящее время отсутствуют генераторы теплоты, подходящие для таких систем. С освоением в нашей стране серийного выпуска автомобильных дизелей малой мощности, по-видимому, наиболее перспективными окажутся системы прогрева на базе этих дизелей. Могут найти применение и генераторы теплоты с термопреобразователями и газовой турбиной.
В современных условиях для решения проблемы прогрева силовых установок тепловозов наиболее предпочтительны электрические схемы, поскольку они основываются на доведенных, серийно выпускаемых элементах. Поэтому тепловозостроительные заводы начали внедрение именно электрических систем прогрева, оснастив ими серийные и опытные тепловозы ТЭМ2У, 2ТЭ116А, 4ТЭ130, ТЭ136, 4ТЭ10С, ЧМЭ3Т и др. Однако серийные электрические системы обеспечивают необходимую теплопроизводительность только при определенном уровне температур наружного воздуха, а при более низких температурах наружного воздуха такие системы мало эффективны. Следует отметить и такой недостаток серийных электрических систем как использование режима холостого хода дизеля, при отборе электроэнергии от тягового генератора. Также при прогреве водяной системы дизеля от внешнего источника трехфазного переменного тока не предусматривается возможность подогрева топлива, масла и подзарядка аккумуляторной батареи. Кроме того, зависимость от внешнего источника энергии делает электрические системы прогрева неавтономными, требует оборудования специальных линий отстоя с устройствами присоединения к энергосети, снижает маневренность локомотивного парка депо.
Следует отметить и системы прогрева с использованием аккумулятора тепла, роль которого выполняет водяная система дизеля с значительно большей массой охлаждающей воды. При работе дизеля в зимнее время под нагрузкой температура воды в аккумуляторе должна поддерживаться на наиболее высоком уровне постоянным автоматическим пополнением более горячей водой. При стоянках тепловоза накопленное тепло может быть возвращено в систему охлаждения дизеля естественной или принудительной циркуляцией воды через аккумулятор тепла. Естественная циркуляция может быть обеспечена присоединением наиболее холодных участков водяной системы к аккумулятору. Аккумулятор тепла следует надежно изолировать от воздействия наружного воздуха. В качестве теплоизоляции можно использовать металлическую оболочку. Пространство между аккумулятором и оболочкой может быть заполнено дизельным маслом, которое одновременно будет масляным аккумулятором тепла и, в некоторой степени, тепловым изолятором, так как коэффициент теплопроводности масла примерно в два раза ниже, чем у воды. Аккумулятор тепла необходимо оборудовать электронагревательными элементами или другими устройствами для обогрева. Аккумулятор тепла вместимостью 2 – 3 м3 позволит значительно повысить теплоемкость водяной системы тепловоза, что будет способствовать сокращению времени и снижению расхода топлива на прогрев, повышению ресурса и надежности дизеля.
Зарубежный опыт показывает, что проблема прогрева тепловозов актуальна и для стран с более высоким уровнем среднегодовых температур, чем в нашей стране. Например, в Германии создана унифицированная система прогрева, которая позволяет осуществлять прогрев дизеля с целью стабилизации температуры. По этой системе дизель прогревается за счет циркуляции воды в системе охлаждения, причем вода может подогреваться паром из внешнего паропровода или отопительного котла. Возможен подогрев и горячей водой из внешней сети. Внедрение данной системы обеспечивает экономию дизельного топлива на железных дорогах Германии в размере 5700 т ежегодно.
В США фирма Microvar incorporated серийно выпускает систему прогрева тепловозных дизелей. Система представляет собой специальный блок, состоящий из вспомогательного дизель-генератора, обеспечивающего прогрев основного двигателя как электрокотлом, так и теплом, отводимым охлаждающей водой и отработавшими газами. Электрические аппараты управления тепловым режимом основного дизеля, отключающие устройства безопасности и устройства для постоянной подзарядки аккумуляторных батарей, также входят в этот блок. Учитывая величину экономии дизельного топлива, которую можно получить применением такой системы, она рекомендована для массовой установки на тепловозах железных дорог США. Единственным ее недостатком являются большие габаритные размеры дизель-генератора, теплообменников – газовых и электрических, которые сложно разместить в кузове тепловоза.
На основании выше изложенного можно заключить, что в настоящее время недостаточно разработаны надежные, простые по конструкции и обслуживанию, эффективные систем предпускового прогрева силовых установок тепловозов. Практически единственным способом прогрева тепловозных дизелей на сети железных дорог является их самопрогрева.
