ГЛАВА vm

ВЫБОР-тягового ОБОРУДОВАНИЯ И РАСЧЕТ ТЯГОВЫХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

§ 44. типы ПЕРВИЧНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ. ВЫБОР ДВИГАТЕЛЯ

В современных тепловозах преимущественно применяют двухтактные и четырехтактные дизели с наддувом. Двигатели внутреннего сгорания других типов используют редко и в основном в мотовозах и маломощных промышленных тепловозах. Дизель обладает относительно высокими экономичностью и эксплуатационной надежностью, большой удельной мощностью, прост в обслуживании. Основные технические данные дизелей тепловозов приведены в табл. 32. К основным техническим показателям дизелей относят тактность, агрегатную и цилиндровую мощность, номинальную и минимальную угловую скорость коленчатого вала, удельный расход топлива и масла, массу, приходящуюся на единицу мощности, моторесурс, габаритные размеры.

На эксплуатируемых тепловозах в равной степени применяют двухтактные и четырехтактные дизели. Однако в настоящее время выпускаются тепловозы новых серий с четырехтактными дизелями, поскольку они создают большие возможности для форсирования их по среднему эффективному давлению и угловой скорости ю и для повышения их надежности.

При работе двухтактного дизеля по сравнению с четырехтактным на всех режимах расходуется больше воздуха на продувку цилиндров, на что затрачивается дополнительная мощность и расходуется топливо. Кроме того, у двухтактного двигателя (из-за необходимости лучшего охлаждения цилиндро-поршиевой группы) с водой и маслом отводится относительно большее количество тепла. Это приводит к необходимости увеличения поверхности охлаждения и массы охлаждающих устройств и к повышению затрат мощности на охлаждение. В результате возрастает общая масса силовой установки и уменьшается ее экономичность. По данным исследований, масса на единицу мощности силовой установки в случае двухтактного дизеля возрастает на 0,37 кг/кВт, а ее общий КПД снижается на 1,4 %. Поэтому применять двухтактные лизели на перспективных тепловозах нецелесообразно без значительного увеличения их экономичности и надежности.

В соответствии с тенденциями развития тепловозной тяги возникает необходимость непрерывного увеличения агрегатной мощности дизелей. Наибольшая мощность находящихся в эксплуа-

"3

3 .5

о 3 ж

- 1

Й S

3 a m ra a,

?5 Iot ж

> -

S a о

o. s

00 !2 oo"

Tf CO

Ю.00

Ю 00

CO <N~

Й I 200-

S2 J5«>"

<=!S

CO 00 <N

lOOOt Ю -S

COCj (N

§2g

CD (N (N

in о

f 02 CD

S2{ CD С CD<MC

«

в s H

га *

(U s

s ra

0! «

OJ <u

я га

S Я га «3

p. p. p

a" §•

ra o.

<u ra

3- я .ra ra H

e § я s S(S й-нЭ e

ч \о со

<u я

« о о.

СЧ1 Ici >

«И

>

8 °-

О Я,

X CO

©

О <N

< 2

о q

IN

CO CD

X CD

о я.

Ю CD

1Л (n"

!5, 5:

со я .а Ч

я о ж о.

I о со о.

я в-

со я

2 °

ift -

о о

О (N

О U4

3 a,

я о,

<u

s о, я

S S §

ООО СЧ (N 00

° 8 §

s; 2 2:

я s o. s

411Л

£•4

S «

тации отечественных тепловозных дизелей составляет 2940 кВт в 16-цилиндровом исполнении. Созданы образцы дизелей агрегатной мощностькэ 4400 кВт в 20-цилиндроврм исполнении. -

Анализ путей повышения агрегатной мощности тепловозных дизелей показывает, что основным направлением является повышение среднего эффективного давления посредстаом увеличения давления наддувочного воздуха и его промежуточного охлаждения,, увеличение в некоторых допускаемых пределах суммарного объема цилиндров и в отдельных случаях угловой скорости коленчатого вала.

Среднее эффективное давление при номинальном режиме работы: для четырехтактных тепловозных дизелей - 16,0-f- -18;5 МН/м и для двухтактных р = 9-=-10 МН/м. Возможно повышение среднего эффективного давления у четырехтактных дизелей до 25-28 МН/м и у двухтактных до 12,0-14,0 МН/м,

Увеличение „давления р в результате применения высокого наддува и промежуточйого охлаждения наддувочного воздуха сопровождается значительным уменьшением габаритных размеров и удельной массы дизеля, а также повышением его топливной экономичности в номинальном режиме. Однако следует учитывать, что тепловозные дизели большую часть времени работают при частичных нагрузках и в режиме переходных процессов. В, этих случаях значительно ухудшается рабочий процесс двигателей с высоким газотурбинным наддувом (повышение температуры, дымление, увеличение удельного расхода топлива); это обусловлено несоответствием воздухоснабжения подаче топлива и соответственно уменьшением коэффициента избытка воздуха. Кроме тога, с повышением давления ре возрастает тепловая и механическая напряженность деталей цилиндро-поршневой группы и криво-шипно-шатунного механизма. Поэтому увеличение агрегатной МОЩНОСТИ- тепловозных дизелей в результате возрастания давления ре должно сопровождаться разработкой систем автоматического согласования воздухо- и топливоподачи и мер, повышающих надежность агрегата.

В ограниченных пределах агрегатную мощность тепловозных дизелей можно повысить увеличением суммарного объема цилиндров, т. е. увеличением диаметра цилиндров и их числа.

Диаметр серийно выпускаемых мощных тепловозных дизелей-не превышает 260- мм. Разработаны дизели с диаметром цилиндра 300-320 мм. При прочих равных условиях увеличение диаметра цилиндров дизеля ограничено механической прочностью деталей кривошипно-шатунного механизма, увеличением температуры в центре днища поршня, а также массы и габаритных размеров дизеля.

Номинальная угловая скорость коленчатого вала тепловозных дизелей Юн составляет 63-157 рад/с. Вопрос о выборе оптимального значения а>„ является дискуссионным, что объясняется значительными трудностями при сравнительной технико-экономиче-

ской оценке дизелей с различными значениями Юн- При увеличении ©н уменьшается масса на единицу мощности как дизеля, так и приводимого им преобразователя энергии (например, тягового генератора). С другой стороны, с увеличением частоты Юд возрастают эксплуатационные расходы из-за повышения удельного расхода масла и значительно снижаются моторесурс двигателя и соответственно расходы на ремонт. Таким образом, для тепловозных, дизелей следует выбирать минимальную частоту а„, сохранив необходимые габаритные размеры и массу дизеля.

В отечественном тепловозостроении преимущественно применяются дизели средней быстроходности. В европейских странах (ФРГ, Франция) широко используют быстроходные дизели, что объясняется необходимостью получения достаточно большой секционной мощности тепловоза при ограниченной нагрузке на ось, а также применением гидропередачи (ФРГ).

Габариты подвижного состава ограничивают линейные размеры дизеля. При заданной длине локомотива длина дизеля обусловлена возможностью размещения вспомогательного оборудования, высота и ширина - размещением дизеля в габарит подвижного состава. При большой ширине уменьшаются проходы в машинном помещении и затрудняется выполнение ремонтных работ.

Специфическими условиями работы дизеля на тепловозе яв- ляются переменный режим работы по нагрузке и частоте вращения коленчатого вала, значительная доля работы на холостом ходу и широкий диапазон изменения атмосферных условий.

Режим работы дизеля меняется в результате изменения нагрузки или положения регулирующего органа дизеля. Режим работы, устанавливающийся после каждого такого изменения, определябтся характеристиками дизеля и потребителя.

К основным рабочим характеристикам дизеля относят кривые зависимости эффективной мощности Р, крутящего момента Me, эффективного КПД % и удельного расхода топлива от угловой скорости (О коленчатого вала. Названные характеристики получают при различных неизменных положениях регулирующего органа (реек топливного насоса). Если характеристики получены при том положении регулирующего органа, которое соответствует номинальному режиму (Р, и ©„), то их называют внешними. При другх положениях регулирующего органа (меньших номинального; характеристики называют частичными. На рис. 168 приведены внешние характеристики некоторых тепловозных дизелей. Не для всех дизелей допускается продолжительная работа по внешней характеристике. При высокой степени наддува снижение частоты вращения коленчатого вала приводит к понижению подачи нагнетателя и уменьшению давления наддувочного воздуха. В этом случае при неизменной цикловой подаче топлива уменьшается коэффициент избытка воздуха и ухуХшается рабочий процесс в цилиндрах дизеля. Поэтому цикловую подачу топлива для таких дизелей необходимо снижать при уменьшении частоты со.

W 0,9 0.8 0,1

Рис. 168. Внешние характеристики тепловозных дизелей:

/ - 11Д45; г -6Д70; 3 - M756AB; 4 - ПД; 5 - 2Д100; 6 - ограничительные

0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 Фи

Рис. 169. Зависимость крутящего момента дизеля от угловой скорости коленчатого вала дизеля с изодромиым многорежимным регулятором

. 1ри этом наибольшее значение Me соответствует кривым 6. Режимы работы дизеля ограничены также максимальной и минимальной угловой скоростью его коленчатого вала. В первом случае ограничение обусловлено механической прочностью и износом узлов дизеля, во втором - ухудшением рабочего процесса.

Тепловозные дизели отечественного производства снабжены всережимными изодромными регуляторами, которые в установившихся режимах при заданной настройке позволяют поддерживать постоянную частоту вращения коленчатого вала при изменении нагрузки от нуля до максимума. Дизель в этом случае работает по нагрузочной характеристике, совпадающей с регулятор-ной. Настройка таких регуляторов (изменение натяжения режимной пружины) меняется ступенчато в зависимости от положения главной рукоятки контроллера машиниста. Общий вид регуля-торных характеристик дизеля с изодромиым регулятором показан на рис. 169. При каждой настройке регулятора частота вращения вала дизеля поддерживается практически постоянной, поэтому регуляторные характеристики представляют собой прямые. Мощность и крутящий момент изменяются в зависимости от нагрузки в пределах от нуля до значения, соответствующего работе по внешней характеристике. Количество регуляторнЫх характеристик соответствует числу позиций управления.

Эффективный удельный расход топлива и КПД дизеля зависят от параметрор и режима его работы. Наиболее полное представление об экономичности дизеля при переменных режимах работы дают кривые зависимости Ре («) при ge = const (рис. 170), называемые универсальной характеристикой. Из графиков (рис. 170) видно, что заданную мощность дизеля можно реализовать при различных значениях « и ge. Очевидно, целесообразно выбирать для каждого значения мощности такую частоту вращения, при