ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ

Валентин Николаевич Балабин, доцент Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), к.т.н.

В России большое внимание уделяется разработкам мероприятий по повышению топливной экономичности транспортных двигателей на эксплуатационных режимах и повышению автоматизации систем управления. Анализ мировых тенденций развития двигателестроения показал, что, начиная с середины 80-х годов, углубляется расхождение между прежде подобными группами транспортных двигателей.

Решение многих проблем, возникающих при эксплуатации тепловозных двигателей потребовало новых подходов. В практике двигателестроения стало развиваться новое направление: электронное управление системами двигателей тепловозов. Появилась возможность оптимизации управления топливоподачей и процессами газообмена в них при управлении его работой. Именно максимальное использование микропроцессоров в системах управления тепловозных дизелей определило следующую ступень развития - двигатели IV поколения. По определению специалистов ОАО ХК "Коломенский завод" тепловозный двигатель нового поколения (ТДНП) - двигатель с комплексной адаптивной системой управления, позволяющий реализовать широкий спектр эксплуатационных услуг.

Один из основных факторов, определяющих качества двигателей - его экономичность. Для двигателя железнодорожного транспорта характерна длительная эксплуатация на частичных и переходных режимах, вызываемых возмущающими и управляющими воздействиями. При этом наблюдается тенденция к смещению продолжительности работ в сторону меньших скоростей.

Для нового V12 дизель-генератора 21-26ДГ форсированного до мощностей 2500…2650 кВт характерно уменьшение удельного эффективного расхода топлива с 197 до 194 г/кВтч с перспективой дальнейшего уменьшения до значений 191…188 г/кВтч (в диапазоне эксплуатационной мощности 0,6…1 от номинальной этот параметр составляет 204…207 г/кВтч).

Для сокращения затрат на железнодорожном транспорте, важнейшая задача - повышение эффективности эксплуатации тепловозного двигателя, путем совершенствования конструкции их элементов.

У ТДНП мощностью 1000…3500 кВт необходимо увеличить межремонтные пробеги не менее, чем в два раза, при условии выполнения жестких экологических норм по введенным дизельным стандартам ГОСТ Р. ОАО "РЖД" требует увеличить пробег локомотивов с ТДНП с 2 млн до 3 млн км.

Вообще, требования, которым должны отвечать тепловозные дизели нового поколения, можно разделить на два направления: запросы основного заказчика - ОАО "РЖД" - и общие отраслевые тенденции развития мирового дизелестроения.

На совещаниях любого уровня специалисты по созданию транспортных двигателей с одной стороны и конструкторы тепловозов с другой едины в том, что создание ТДНП - сложная техническая проблема. Основные причины этого в том, что новые решения должны быть максимально адаптированы к уже имеющемуся парку тепловозов и сопутствующей инфраструктуре. Кроме того, появление нового поколения двигателей транспортного назначения и последующее успешное продвижение его на весьма насыщенном рынке, требуют дополнительных денежных вложений в соответствующие НИР и обучение персонала.

Со стороны научных структур ОАО "РЖД" должны быть ясно сформулированы результаты проведенного маркетинга по потребностям в типах и мощностях тепловозов для каждого отдельного региона применения. Они должны максимально учитывать требования перевозочного процесса. Региональные требования, это одно из важнейших направлений создания ТДНП и соответствующих им тепловозов, (которое в нашей стране никогда серьезно не рассматривалось). Здесь приходится учитывать не только климатические отличия, но и разнообразные особенности местных требований к тяговому подвижному составу и строящимся унифицированно-типажированным тепловозам.

Не следует проводить модернизацию локомотивных энергетических установок просто ради абстрактного "улучшения экономических или экологических показателей". Все этапы модернизации и, главное, последующая эксплуатация на сети железных дорог должны приносить ощутимый технический и экономический эффект, особенно с учетом затрат остающегося жизненного цикла и дополнительных расходов, связанных с потребностями в более частом выполнении ТО и ТР.

Следует активно применять не только серийные, но и новые проверенные технологии.

Рассмотрим концепцию перспективного тепловозного дизеля. Известно, что мощность, надежность и экономичность двигателей железнодорожного транспорта определяет эффективность автономной тяги. Опыт эксплуатации диктует необходимость придерживаться некоторых известных требований, главное из которых: ТДНП по мощностным параметрам должны перекрывать весь перспективный ряд новых тепловозов.

Предлагается шире использовать в конструкции нового тепловозного двигателя новейшие достижения мирового двигателестроения. Вместе с тем, одним из наиболее важных концептуальных требований к ТДНП должно стать использование апробированных технологий с низкой степенью риска, а также гарантированное исключение возможности отклонений рабочих процессов за допустимые пределы по механическим и тепловым нагрузкам, характерным у форсированных дизелей. Только в этом случае можно прогнозировать достижения требуемой надежности конструкции.

Технико-экономические показатели транспортных двигателей, их эксплуатационная топливная экономичность в значительной степени зависят от расхода топлива на основных эксплуатационных режимах. В их число следует включить режимы холостого хода, а также и переходные режимы. Поэтому вопросы совершенствования газообмена на нагрузочных, переходных режимах и холостом ходу необходимо отнести к отдельному приоритетному направлению исследований.

Следует активно применять не только серийные, но и новые проверенные технологии. Ниже рассмотрены некоторые из мероприятий, требующих исследований и последующего внедрения.

Рациональная схема рабочего процесса ТДНП должна предусматривать: создание системы альтернативного немеханического привода клапанов газораспределения; отключение на режимах холостого хода и малых нагрузок части цилиндров по топливоподаче и газообмену.

Переход от фиксации ресурса ТДНП в моточасах или километрах пробега тепловоза к оценке индивидуального суммарного расхода топлива. Тепловозный дизель значительную часть работает на холостом ходу (до 40…80 % общего времени работы), а в реальной практике эксплуатации этот режим не учитывается как полезная работа. Для ТДНП необходимо непрерывно контролировать расход топлива с помощью бортовых высокоточных ролико-лопастных расходомеров, созданных в МИИТ.

Продолжить исследования по термофорсированию топливоподачи. Следует вспомнить опыт и результаты исследований, начатые в МИИТ в 70-х гг. Система предварительного подогрева топлива на линии высокого давления дизеля типа Д100 резко снизила период задержки воспламенения, уменьшила темп подъема давления (жесткость процесса). Активный период сгорания топлива сместился ближе к ВМТ.

Весьма перспективно использование на ТДНП симметричной одноступенчатой схемы полигазотурбонаддува. Полученный вариант регистрового наддува позволит реализовать необходимую мощность на всех точках скоростной характеристики при высокой экономичности, как на номинальном режиме работы, так и на частичных нагрузках.

Целесообразно создание схемы полигазотурбонаддува (ПГТН), состоящей из четырех турбокомпрессоров при секционировании коллекторов и ресиверов.

Индивидуальное микропроцессорное управление органами топливоподачи с одновременным адаптивным регулированием газораспределения позволит выбирать наиболее экономичную работу каждого турбокомпрессора на частичных и переходных режимах.

Система ПГТН обеспечивает высокие динамические качества разгона роторов турбокомпрессоров, что позволит отказаться от подкрутки, подобной электротурбокомпрессору.

Интегрированные в тепловоз вспомогательные системы ТДНП. Модульный принцип конструирования ТДНП должен плавно распространиться на весь локомотив. Так, топливная система низкого давления может быть сосредоточена непосредственно в районе или внутри топливного бака, что позволит сократить время экипировки, путем полной блочной замены бака с проверенными системами фильтрации, насосами и предохранительными устройствами.

Работу по повышению механического КПД серийных дизелей следует проводить в направлениях снижения потерь на трение, на привод вспомогательных механизмов и насосных потерь.

По приводу вспомогательных механизмов предлагается идея тесной кооперации дизелестроителей с конструкторами тепловозов. Расчеты показывают, что самостоятельный дизель-агрегат, как автономная единица, проигрывает установке, интегрированной в системы тепловоза. Можно передать некоторые вспомогательные функции с дизеля на тепловоз, установив моноблоки централизованных насосов с регулируемым асинхронным электроприводом. Это позволит сделать производительность насосов независимой от частоты вращения коленчатого вала.

На существующих локомотивах примерно поровну распределяются функции вспомогательных систем тепловоза и дизеля. При создании ТДНП необходимо выполнить перераспределение, передав до 80% функций обеспечения дизеля непосредственно тепловозу. Все фильтры, охладители теплоносителей, насосы, предохранительные приборы, приборы безопасности, вся арматура должны блочно располагаться на тепловозе.

Такое положение обеспечит дизелю без отвлечения выполнение своей основной функции - выдачу мощности по требуемым скоростным и нагрузочным характеристикам.

Разработка альтернативного, немеханического привода клапанов газораспределения. Традиционные типы механического привода клапанов газораспределения ограничивают возможности форсирования дизелей по частоте вращения и снижают моторесурс.
Проведенные в МИИТе исследования, позволяют установить целесообразность применения на ТДНП альтернативного немеханического привода клапанов.

Тепловозные двигатели большую часть времени работают на неноминальных режимах, и в этих условиях механический привод клапанов не обеспечивает требуемых фаз газораспределения (ФГР).

Многочисленная патентная литература и ряд выполненных исследований свидетельствуют, что изменением ФГР можно значительно улучшить технико-экономические показатели двигателя, расширить ассортимент используемых топлив, снизить жесткость работы двигателя и, что самое, главное - токсичность выпускных газов.

Применение регулирования ФГР позволяет увеличить величину крутящего момента на 25…30 %, а при номинальной частоте вращения - на 3…5 %. Одновременное изменение величины подъема клапанов с регулированием ФГР позволяет добиться интенсивной турбулизации заряда, что особенно важно при низких частотах вращения.

Основные виды альтернативного привода: пневматический, гидравлический, гидромеханический, электромагнитный и электрогидравлический.

Реальное распространение могут иметь три вида привода: гидравлический, электромагнитный и электрогидравлический.
Гидропривод клапанов отличается следующими особенностями: относительно высоким быстродействием; большими силами инерции по сравнению с силами сопротивления; возможностью управления отдельными фазами движения клапана и временем его выстоя в крайних положениях; достаточно высокими значениями к.п.д. всего привода.

Применение электромагнитного привода клапанов (ЭМПК) нашло практическое применение, начиная с конца 80-х гг. Особенно большое число патентных публикаций принадлежит Японии и США. Основные преимущества: обеспечение широких диапазонов регулирования ФГР; высокое быстродействие; удобство контроля работы привода; большая надежность элементов электронной системы управления и электропривода и возможность при необходимости установки дублирующих схем формирования управляющих сигналов.

Исполнительным узлом являются электромагниты, которые могут воздействовать на промежуточное звено, сочлененное с клапаном, или непосредственно на клапан.

ЭМПК позволяет получить оптимальные энергетические и экологические показатели дизеля при любых режимах работы, позволяет без дополнительных затруднений реверсировать дизель, осуществлять декомпрессию при пуске и режим противовращения.

Массогабаритные показатели ЭМПК тепловозного дизеля оказываются неудовлетворительными: электромагнит для привода одного выпускного клапана дизеля типа ЧН 26/26 обладает весом свыше 16 кг, сердечник и обмотка имеют примерно равный вес. К этому значению следует добавить вес демпфера, креплений и кожуха. К.п.д. ЭМПК получается не выше 50 %. Только на отдельных режимах работы двигателя в оптимальном варианте к.п.д. может достигнуть величины 65 %. Средняя потребляемая мощность на привод составляет приблизительно 1 кВт/км при частоте вращения коленчатого вала в 1000 мин-1. Электромагниты необходимо интенсивно принудительно охлаждать.

Хотя ЭМПК является заманчивым техническим решением, его широкое применение в таком традиционном виде, как силовой соленоид, представляется нецелесообразным. Возможно, есть области, где его преимущества возобладают над недостатками, например, судовые дизели, являющиеся тихоходными, реверсивными и не имеющими ограничений по массе и габаритам. Все же необходимость охлаждения электромагнитов, а главное - высокая стоимость, вызывает сомнения в практической ценности идеи традиционного ЭМПК. Интерес представляет применение в качестве силового привода ЭМПК линейного двигателя.

При ЭГПК обобщаются достоинства гидравлического и электромагнитного способов управления по требуемому быстродействию и возможности регулирования ФГР (или закона движения) клапанов, при этом обеспечиваются необходимые значения параметра "время-сечение" клапанов. ЭГПК обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими альтернативными типами приводов и, в частности, быстродействием, необходимым для качественного протекания рабочего процесса двигателей (особенно быстроходных) и малой массой возвратно-движущихся частей.

Исследование работы ЭГПК применительно к транспортным дизелям проводилось на модельной одноклапанной и двухклапанной установках, а также на стендовой установке с транспортным дизелем, один цилиндр которого оборудован ЭГПК.

Несмотря на сложную конструкцию альтернативного привода клапанов газораспределения оптимизация ФГР и закона движения клапанов позволяет снизить среднеэксплуатационный расход топлива дизелем не менее чем на 8…12 %.

Многие разрабатываемые сегодня направления позволят в ближайшем будущем прогнозировать расширение диапазонов рабочих режимов и обеспечить необходимые технико-экономические показатели двигателей.

Конечным направлением исследовательских работ в нашей стране является создание адаптивного тепловозного дизеля, а также поиск решений систем управления, позволяющих производить полную или частичную адаптацию дизеля к внешним условиям.