Объединение "Коломенский завод" широко известно в России и за рубежом. И прежде всего своими дизелями, выигравшими тендеры у таких фирм, как MAK KRUPP и CATERPILLAR. Информация о коломенских двигателях помещена во всемирном каталоге дизелей и газовых турбин. Тем не менее, модернизация двигателей на предприятии продолжается. Развитие идет в направлении повышения агрегатной мощности путем форсирования по среднему эффективному давлению и создания многотопливных двигателей. За основу взят наиболее перспективный дизель Д49 (ЧН26/26). В связи с постоянным ужесточением экологических норм возникла необходимость проведения поисковых исследований и применения комплексного подхода к проектированию и доводке двигателя. Именно комплексного, поскольку каждый метод, даже хорошо известный, не способен обеспечить нового качества. Известно, что количество окислов азота (NOх) в выхлопных газах зависит от температуры газов в цилиндре (Tmax), как средней по объему, так и локальной, а также от концентрации кислорода в зонах окисления; при этом рост Tmax и увеличение концентрации O2 ведет к повышению количества NOх. Наибольшее влияние на количество NOх в диапазоне рабочих значений коэффициента избытка воздуха (a) оказывает температура газов. Выход же окиси углерода и дыма связан с качеством смесеобразования и полнотой сгорания, а дыма - еще и со своевременностью сгорания. Экономичность двигателя, в свою очередь, определяется термодинамическим к.п.д., как функции Tmax, степени сжатия e и коэффициента a, а также качеством сгорания. Таким образом, стремление уменьшить количество NOх путем снижения Tmax неминуемо должно приводить к росту удельного расхода топлива, увеличению количества CO и дыма. Для компенсации этих нежелательных последствий требуется интенсифицировать процесс горения топлива за верхней мертвой точкой (ВМТ). Специалисты Коломенского завода провели анализ известных способов снижения токсичности выхлопных газов, прежде всего вредных компонентов: NOх, CO и дыма. Установлено, что рациональная схема рабочего процесса должна предусматривать: - снижение температуры воздуха в цилиндре в начале сжатия; - ограничение подачи топлива до ВМТ; - организованное сгорание впрыснутой до ВМТ порции топлива с целью интенсификации процесса сгорания основной порции топлива, впрыскиваемой за ВМТ; - подачу основной порции топлива с большой интенсивностью, высокой дисперсностью и ее окончание не позднее 20...25° поворота коленчатого вала (п.к.в.) за ВМТ; - синхронизацию периода максимальной скорости сгорания топлива с началом интенсивного движения поршня к нижней мертвой точке (НМТ), то есть после 10...15° п.к.в. за ВМТ. В этом случае работа расширения газа должна в максимальной степени компенсировать прирост энергии от сгорания топлива и, тем самым, сдерживать рост Tmax; - окончание процесса сгорания не позднее 40...45° п.к.в. за ВМТ; - исключение отрыва от соплового наконечника капель топлива или их укрупнения в момент окончания впрыска. Сформированная по результатам многочисленных исследований концепция рабочего процесса малотоксичного дизеля была реализована при создании двигателя 2-5Д49М (16ЧН26/26, Ре = 2940 кВт при n = 1000 мин-1, рme = 1,6 МПа). Именно этот дизель поставляется в настоящее время в Германию для тепловозов. Для снижения температуры подаваемого в цилиндры воздуха применен эффективный охладитель наддувочного воздуха (ОНВ), а также термостат в системе смазки. Активная поверхность теплообмена плотного пучка оребренных труб в водовоздушном охладителе увеличена почти на 30 %, что при прочих равных условиях позволило уменьшить температуру воздуха в ресивере на 10 °С, а температуру цикла Tmax - на 15...20 °С. Применение термостата обеспечило стабилизацию температуры масла на режимах малых нагрузок и снижение температуры воды на ОНВ в условиях тепловоза. С целью оптимизации подачи топлива и процесса сгорания использованы топливные насосы высокого давления (ТНВД), осуществляющие двухфазный впрыск топлива на режимах работы в диапазоне 75...100 % полной мощности и увеличение объемной скорости подачи топлива на 11 %. Кроме того, изменено усилие затяжки иглы форсунки, позволившее поднять давление в начале впрыска до 36,8 МПа и давление посадки иглы до 25,5 МПа. Одновременно увеличена геометрическая степень сжатия в цилиндре с 12,5 до 13,5 единиц. Исследования, проведенные на опытном одноцилиндровом двигателе с двухфазным впрыском, показали, что большое значение имеет количество топлива, впрыскиваемого в первой фазе, и величина временного интервала между первой и второй фазами. При этом порция топлива первой фазы должна обеспечивать минимальную задержку воспламенения (на угол не более 1...3° п.к.в.), устойчивое непрерывное горение и высокую скорость сгорания во второй фазе. Вторая порция должна подаваться с большой объемной скоростью и высокой дисперсностью. Это необходимо для завершения сгорания в термодинамически активной зоне - до 40° п.к.в. за ВМТ. Высокие дисперсность распыла и скорость подачи топлива во второй фазе позволяют сохранить экономичность и добиться снижения количества CO и дымности при малом содержании NOx в отработавших газах. На режиме полной мощности увеличение давления впрыска в начале и конце цикла обеспечило снижение содержания CO на 15 %, дымности (rmax) на 18 % и удельного расхода топлива на 1,0 %. Сокращение содержания NOx, которое наблюдается при повышении степени сжатия и уменьшении угла опережения подачи топлива, обычно сопровождается ростом дымности и содержания CO. Сущность этого явления заключается не только в смещении момента окончания сгорания к НМТ, но и в более высокой скорости уменьшения температуры газов. В этом случае могут наступать температурные условия, при которых происходит так называемая "закалка сажи". Эффективный способ борьбы с этим явлением - интенсификация процесса сгорания за ВМТ. Комиссионные испытания двигателя 2-5Д49М проводились с участием специалистов из Германии и подтвердили изложенные выше положения. При оценке эмиссии вредных веществ режимы эксплуатации выбирались в соответствии с ISO 8178-4 по трехрежимному ездовому циклу "F". Значения контрольных показателей были следующими: NOх = 11,5 г/кВтЧч, CO = 1,7 г/кВтЧч, CH = 0,5 г/кВтЧч, rmax < 1,0 ед. Bosch. Удельный расход топлива тепловозного двигателя в диапазоне мощностей 60...100 % лежит в пределах 206...208 г/кВтЧч. В соответствии с требованиями германских железных дорог эта величина не должна превышать 208 г/кВтЧч, а нормы эмиссии должны составлять: NOх < 12,0 г/кВтЧч, CO < 3,0 г/кВтЧч, CH < 0,8 г/кВтЧч, rmax < 1,6 ед. Bosch. С уменьшением форсирования двигателя по среднему эффективному давлению и, следовательно, с уменьшением цикловой подачи топлива удельные значения эмиссии вредных веществ возрастают, поэтому указанные выше мероприятия могут оказаться недостаточными. Так произошло при доводке двигателя 1-5Д49М (16ЧН26/26, Ре = 2232 кВт при n = 1000 мин-1, рme = 1,21 МПа). Пришлось пойти на дополнительные меры: уменьшение диаметра сопловых отверстий, введение внутреннего охлаждения заряда в цилиндрах (нерегулируемый "цикл Миллера" с установкой новых впускных кулаков, имеющих фазу конца впуска в НМТ) и повышение давления наддува. Уменьшение эффективного проходного сечения распылителей форсунок (сопла диаметром 0,35 мм вместо 0,4 мм) обеспечило снижение эмиссии CO на 12 %, а дымности - на 18 % при сохранении прежней экономичности. Дополнительное охлаждение заряда позволило уменьшить максимальную температуру цикла примерно на 30 °С, что способствовало снижению эмиссии NOх на 10 %, а эмиссии CH - на 5 %. Результаты комиссионных испытаний (по циклу "F" ISO) экспортного двигателя 1-5Д49М после модернизации подтвердили следующие уровни эмиссии: NOх = 11,1 г/кВтЧч, CO = 2,4 г/кВтЧч, CH = 0,7 г/кВтЧч, rmax < 1,1 ед. Bosch. Завершена модернизация двигателей 12ЧН26/26 повышенной мощности (Ре = 2650 кВт при n = 1000 мин-1, рme = 1,92 МПа), которые после доводки по экологическим показателям были поставлены в Германию. Эти новые 12-цилиндровые двигатели были установлены на шести тепловозах взамен ранее поставленных 16-цилиндровых 1-5Д49. Российские потребители выдвинули свои требования к дизелям Д49, предназначенным для перспективных тепловозов ТЭП-200 (мощностью 3380 кВт) Коломенского завода и ТЭА-25 (мощностью 1500, 2500 и 3500 кВт) Брянского завода. Эти двигатели при работе с уровнем мощности 60…100 % от номинальной должны обеспечить повышение экономичности не менее чем на 5 %. Параметры вредных выбросов должны соответствовать новым российским стандартам. Для новых модификаций Д49 с рme і 1,6 МПа подготовлен к экспериментальной проверке поршень с камерой сгорания типа "мелкий Гессельман" (степень сжатия e = 12,0...13,5). Форма камеры способствует локальному увеличению коэффициента избытка воздуха a, что улучшает характер процесса сгорания и обеспечивает снижение вредных выбросов при неизменной экономичности. Намечено провести исследования и при повышенных на 25...30 % значениях максимального и среднего давления впрыска топлива. Применение двух турбокомпрессоров в системе воздухоснабжения позволит решить еще две задачи: во-первых, повысить приемистость двигателя и крутящий момент (одновременно следует ожидать уменьшения расхода топлива на 10...15 г/кВтЧч), и, во-вторых, с отключением одного из турбокомпрессоров обеспечить долевой режим (регистровый наддув). При этом ожидается снижение эмиссии вредных веществ. Для реализации тепловозной характеристики планируется применение многофункционального электронного регулятора, что позволит непрерывно адаптировать работу двигателя с учетом внешних условий и его состояния. Применение других мероприятий, снижающих токсичность отработавших газов (ОГ), таких как рециркуляция ОГ, установка фильтров частиц и устройств с целью снижения выбросов NOх, связано с дополнительным техническим обслуживанием и, кроме того, с возможным снижением ресурса двигателя. Особую актуальность приобретает дальнейшее совершенствование именно рабочего процесса. Специалистами завода запатентован новый способ рециркуляции ОГ, который, в отличие от существующих, не связан с внешним перепуском ОГ, а совершается внутри цилиндров. Создание форсированных двигателей нового поколения типа Д49Ф (12ЧН26/26Ф, Ре = 3090 кВт при n = 1000 мин-1, рme = 2,2 МПа) потребует дальнейшей доводки конструкции и обеспечения соответствия экологическим нормам ближайшего будущего (2004-2005 гг.) и более отдаленной перспективы. Дальнейшего уменьшения выбросов NOх можно добиться путем использования устройств, предназначенных для очистки и нейтрализации выхлопных газов. Улучшение индикаторного к.п.д. будет достигаться повышением давления наддува и максимального давления цикла до 17,0 МПа (для базовых двигателей рmax Ј 14,0 МПа). Еще одним перспективным направлением, ориентированным на выполнение экологических требований, стал перевод двигателей на альтернативные виды топлива. Использование газодизельного или чисто газового цикла должно обеспечить более низкий уровень эмиссий. Кроме того, использование в качестве топлива попутных нефтяных газов, сжигаемых в факелах, позволит улучшить экологическую обстановку в районах добычи нефти и газа. Исходя из этих теоретических посылок в объединении "Коломенский завод" разработан и запатентован новый способ управления многотопливным двигателем, который позволяет значительно улучшить его динамические качества, расширить область бездетонационной работы и, тем самым, снизить требования к качеству газа, используемого в двигателе. После длительной доводки удалось добиться работы газодизеля ГД49 (12ГДЧН26/26, Ре = 1050 кВт при n = 1000 мин-1) на газах широкого фракционного состава с малым содержанием метана (менее 60 %). При работе на природном газе минимальное количество дизельного топлива составляет 5…8 % (на попутном газе - 8…12 %), а коэффициент избытка воздуха может достигать a = 2,0…2,2. Газодизельные электростанции (напряжением 400 и 6300 В) на основе ГД49 с системой утилизации тепла обеспечивают суммарный к.п.д. более 85 %. Газодизели в составе энерговагонов ПЭ-6 эксплуатируются в районах Сибири и Крайнего Севера с 1996 г., наработав около 47 000 ч. В 2000 г. заводом освоен выпуск блочно-транспортабельной электростанции ЭГД-2 с газодизель-генератором 8ГДГ мощностью 1750 кВт. С 2001 г. намечен выпуск мотор-генераторов ГМГД49 (12ГЧН26/26) мощностью 1165 кВт для работы по чисто газовому циклу, что, однако, потребует применения мощной и надежной системы искрового зажигания, решения проблемы запуска, особенно холодного двигателя. Дальнейшего снижения выбросов можно добиться путем внедрения упомянутого выше способа рециркуляции ОГ на малых нагрузках и холостом ходу. Это позволит избежать применения дополнительных устройств, например, форкамеры. Кстати, применение газодизельной силовой установки на перспективных газотепловозах весьма целесообразно, так как обеспечивает экономию дизтоплива при сохранении всех достоинств дизеля, а именно: высокой приемистости, мощности, простоты запуска и высокой надежности. Положительные результаты испытаний двигателя Д49 при использовании сырой нефти в качестве основного и запального топлива позволили начать пробную эксплуатацию двигателя 12ЧН26/26 в составе передвижной электростанции ПЭ-6. Промышленная эксплуатация трех таких станций должна начаться в 2001 г. В дальнейшем предполагается переоборудовать их для работы по нефтегазовому циклу, что выгодно экономически, поскольку используется попутный газ, не состоящий на балансе. Кроме того, это выгодно и по экологическим соображениям: хорошо известно, что количество вредных выбросов в продуктах сгорания газа факелов месторождений существенно больше, чем при сжигании этого газа в двигателях. Таким образом, применение многотопливных двигателей Д49 производства ОАО ХК "Коломенский завод" на газовых и нефтяных промыслах - реальный вклад в выполнение Федеральной экологической программы. ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО ХОЛДИНГОВАЯ КОМПАНИЯ "КОЛОМЕНСКИЙ ЗАВОД" Россия, 140408, Коломна, Московская обл., ул. Партизан, д. 42. Тел.: (0966) 3-81-52 Факс: (0966) 15-47-93