CC BY
56
УДК 629.424:001.57
А. С. Анисимов, В. О. Носков, В. К. Фоменко
РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЯ В СИСТЕМУ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ НА ХОЛОСТОМ ХОДУ
Статья посвящена вопросам математического моделирования теплоотвода в систему охлаждения тепловозного дизеля. В статье представлены особенности расчета тепловыделения в систему охлаждения дизеля при работе на холостом ходу.
В процессе работы любого теплового двигателя часть тепла, выделившегося при сгорании топлива и не преобразовавшегося в работу, поступает в систему охлаждения за счет теплообмена. Тепловозные дизельные двигатели здесь далеко не исключение. Так, при работе на номинальном режиме количество тепла, выделяющегося в систему охлаждения, может достигать до 27 % для двухтактных (дизель 10Д100) и 25 % (ПД1М) для четырехтактных дизелей, при работе на режиме холостого эти значения соответственно равны 55,5 и 48,4 % [1]. Повышение выделения тепла в систему охлаждения примерно в два раза связано с уменьшением частоты вращения коленчатого вала дизеля, а следовательно, с увеличением времени теплообмена. Кроме этого большое влияние на количество теплоты, передающейся от газов через стенку цилиндра в систему охлаждения, оказывает величина коэффициента теплоотдачи а [2].
Наиболее опробованной формулой для расчета коэффициента теплоотдачи в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания можно считать уравнение Хохенберга [2]:
/-у 7^-0,06^,0,8^-0,4/^ , /—г \0,8 /1\
а =С1Кр , Р Т (СП + С2) , , (1)
где С1, С2 - постоянные коэффициенты;
V - текущий объем цилиндра, м3;
Р - давление в цилиндре, МПа;
Т - температура рабочего тела, К;
Сп - средняя скорость поршня, м/с.
Входящие в выражение (1) значения давления и температуры могут быть определены в результате обработки индикаторных диаграмм, полученных в результате прямого или косвенного индицирования дизеля, а также математического моделирования процессов сжатия, сгорания топлива и расширения. Индицирование двигателей внутреннего сгорания - весьма затратное и трудоемкое дело. Моделирование «виртуальной» индикаторной диаграммы требует знания нагрузочных параметров двигателя (эффективной мощности, частоты вращения коленчатого вала, давления наддува и давления газа перед турбиной) и элементарного состава топлива. Процесс сгорания топлива рассчитывается с использованием известных законов сгорания, таких как законы Вибе, Пугачева, Разлейцева и др. [3 - 5].
Статистически точное отображение особенностей выделения и передачи рабочему телу теплоты при сгорании углеводородного топлива в цилиндре поршневого двигателя внутреннего сгорания позволило кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа применить закон сгорания Вибе для моделирования рабочего цикла четырехтактных тепловозных дизелей [6, 7]. Закон Вибе представляет собой полуэмпирическое выражение, включающее в себя такие параметры, как продолжительность сгорания (количественную характеристику процесса) и показатель характера сгорания (качественную характеристику развития процесса сгорания во времени):
Ф
х = 1 - е , (2)
где ф - текущее значение угла поворота коленчатого вала дизеля;
2 ИЗВЕСТИЯ Транссиба ^^ № 3(23) 2015
: = _
т - показатель характера сгорания; ф - продолжительность сгорания.
В основе данной математической модели [6] заложено сравнение среднего эффективного давления газов, полученное по нагрузочным параметрам с использованием выражения
р N 30т
6 УНПд1 '
(3)
где N - эффективная мощность дизеля, кВт; т - коэффициент тактности двигателя; V - рабочий объем одного цилиндра, м ; п - частота вращения коленчатого вала дизеля, мин-
-1.
I - число цилиндров,
и среднего эффективного давления газов, определяемого в результате моделирования «виртуальной» индикаторной диаграммы.
Определяя по закону сгорания тепловыделение от сгорания топлива за каждый угол поворота коленчатого вала, рассчитывают давление и температуру газов, текущее значение коэффициента теплоотдачи, а используя выражение
^ = а(Тг - Гст)^
йф 6п„
(4)
где а - суммарный усредненный по поверхности коэффициент теплоотдачи от рабочего тела к стенкам цилиндра, Вт/(м К); Т - температура газа, К;
Гст - температура поверхности камеры сгорания, К;
17 2
гст - площадь тепловоспринимающей поверхности, м ;
- время теплоотдачи, с, - количество тепла, отданного рабочим телом стенкам ци-
6Пд
линдра на элементарном участке линии сгорания.
Сложность использования представленной математической модели для режима холостого хода работы дизеля тепловоза заключается в том, что эффективная мощность для заданного режима работы равна нулю. В этом случае индикаторная мощность, вырабатываемая дизелем, тратится только на преодоление сил трения, т. е. на преодоление всех механических потерь в двигателе:
N = N..
(5)
где N - индикаторная мощность, кВт;
N - мощность механических потерь, кВт.
В этом случае в представленной в источнике [6] математической модели расчета рабочего цикла дизеля необходимо выполнить сравнение среднего давления механических сопротивлений, определенного по параметрам работы двигателя на холостом ходу и среднего давления механических сопротивлений полученного из моделирования "виртуальной" индикаторной диаграммы, поскольку можно считать, что
Р - Рм . (6)
Для расчета среднего давления механических сопротивлений во многих случаях используют эмпирическое выражение [8]:
№ 3(23) ЛЛИ Р ИЗВЕСТИЯ Транссиба 3
=2015 ■
Р = а + ъс
П>
где а = 0,09, Ъ = 0,012 - эмпирические коэффициенты для дизельных двигателей; Сп - средняя скорость поршня, м/с. Средняя скорость поршня определится по выражению:
Сп =
30
(8)
где £ - ход поршня, м.
Суммарный теплоотвод в систему охлаждения будет определяться суммой теплоотводов в систему охлаждения при сжатии воздуха, сгорании топлива и расширении отработавших газов после окончания сгорания топлива до выпуска рабочего тела из цилиндра.
Количество тепла, передаваемого в систему охлаждения дизеля, за один цикл определяется суммой элементарного количества тепла за каждый угол поворота коленчатого вала двигателя, кДж/ц:
(9)
В течение одного часа работы дизеля выделение теплоты в систему охлаждения, кДж/ч,
О0 = 30 аЕпд. (10)
Изменение давления и температуры газов в процессе сгорания топлива для режима холостого хода дизеля ПД4Д тепловоза ТЭМ18ДМ представлено на рисунке 1.
л
Р
3,5 7 . «•" —
Па Ч Ч ч Т
//2,5 // у 9 - ч V ч
2 1 ^ . Р ч ч ч
1,5 1 . 1 ч ч ч
0,5 0,5 ч ч ч
0
800 К
700 650 600 550 500 450
л
Т
-20
20
40
п.к.в.
80
Ф
Рисунок 1 - Зависимость давления и температуры от угла поворота коленчатого вала
в процессе сгорания топлива
На рисунке 2 представлены результаты расчета коэффициента теплоотдачи по формуле Хохенберга в процессе сгорания топлива. Здесь же приведено изменение тепловыделения в систему охлаждения в процессе сгорания за каждый угол поворота коленчатого вала двигателя. Подобные характеристики могут быть рассчитаны для любого режима работы дизеля на холостом ходу (частота вращения коленчатого вала дизеля).
В таблице представлены результаты расчета тепловыделения в систему охлаждения дизеля ПД4Д на режиме холостого хода по позициям контроллера машиниста в течение одного
ИЗВЕСТИЯ Транссиба
№ 201
!=1
0
часа работы тепловоза, а изменение количества теплоты в зависимости от частоты вращения коленчатого вала Qw = /(п ) представлено на рисунке 3.
а
-20
20
40
Ф
п.к.в.
80
44
зД ж
/V
22
11
О*
Рисунок 2 - Изменение коэффициента теплоотдачи и количества тепла, передаваемого в систему охлаждения дизеля от угла поворота коленчатого вала в процессе сгорания топлива
Значения параметров работы дизеля ПД4Д
0
0
Параметр Результаты расчетов по позициям контроллера машиниста
0 1 2 3 4 5 6 7 8
пд, мин-1 300 300 300 300 400 480 570 650 750
Сп, м/с 3,3 3,3 3,3 3,3 4,4 5,28 6,27 7,15 8,25
Рм, МПа 0,129 0,129 0,129 0,129 0,142 0,153 0,165 0,175 0,189
Жм, кВт 50,92 50,92 50,92 50,92 74,81 96,44 123,3 146,9 185,6
QWЧ), кДж/ч 35787 35787 35787 35787 57593 74093 96988 125730 157688
А
Q
170000 1к5Д0ж0/0ч0 130000 110000 90000 70000 50000 30000
300
400
480
Пд
570
мин
750
Рисунок 3 - Зависимость выделения теплоты в систему охлаждения тепловоза от частоты вращения коленчатого вала дизеля
Практическое значение представленных в статье результатов научных исследований заключается в контроле тепловыделения в систему охлаждения двигателя и далее в окружающую среду через секции охлаждения холодильника тепловоза.
№3(23) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 5
Особенно важно контролировать процесс теплоотвода в холодное время года, когда важно не допускать снижения температуры теплоносителя, поступающего из дизеля в секции охлаждения, ниже значений регламентируемых инструкций по эксплуатации тепловоза.
В этом случае потери тепла в окружающую среду могут быть компенсированы только за счет тепловыделения в систему охлаждения от сгорания топлива, если другие способы поддержания температуры теплоносителя не предусмотрены. В случае применения сторонних источников поддержания температурного режима двигателя значение количества тепла, выделяющегося в систему охлаждения, будет определять требуемую тепловую мощность системы прогрева для любых условий окружающей среды.
Список литературы
1. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов [Текст] / А. Э. Сим-сон, А. З. Хомич и др. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
2. Кавтарадзе, Р. З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учебное пособие для вузов [Текст] / Р. З. Кавтарадзе. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. - 427 с.
3. Вибе, И. И. Новое о рабочем цикле двигателей [Текст] / И. И. Вибе. - М.-Свердловск, 1962. - 271 с.
4. Дьяченко, Н. Х. Теория двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Н. Х. Дьяченко, А. К. Костин и др. - Л., 1974. - 552 с.
5. Разлейцев, Н. Ф. Моделирование и оптимизация процесса сгорания в дизелях [Текст] / Н. Ф. Разлейцев. - Харьков, 1980. - 169 с.
6. Володин, А. И. Комплексный анализ термодинамических, экономических и экологических характеристик тепловозных дизелей в условиях эксплуатации: Монография [Текст] / А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2011. - 166 с.
7. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2014615305. Расчет рабочего цикла четырехтактного дизеля методом Вибе [Текст] / А. С. Анисимов, Е. И. Сковородников // Дата государственной регистрации в Реестре программ для ЭВМ 22 мая 2014 г.
8. Петриченко, Р. М. Физические основы внутрицилиндровых процессов в двигателях внутреннего сгорания [Текст] / Р. М. Петриченко / Ленинградский гос. ун-т. - Л., 1983. -244 с.
References
1. Simpson A. E., Khomich A. Z., Chicken A. A. Teplovoznye dvigateli vnutrennego sgoraniia: Uchebnik dlia vuzov (Diesel combustion engines: Textbook for Universities). Moskow: Transport, 1987, 536 p.
2. Kavtaradze R. Z. Lokal'nyi teploobmen v porshnevykh dvigateliakh (Local heat transfer in piston engines). Moskow: MSTU, 2007, 427 p.
3. Vibe I. I. Novoe o rabochem tsikle dvigatelei (New of the working cycle of the engine). Moscow, Sverdlovsk, 1962, 271 p.
4. Dyachenko N. H., Kosteen A. K., Pugachev B. P. Teoriia dvigatelei vnutrennego sgoraniia (Theory of internal combustion engines). Leningrad, 1974, 552 p.
5. Razleytsev N. F. Modelirovanie i optimizatsiia protsessa sgoraniia v dizeliakh (Simulation and optimization of the combustion process in diesel engines). Kharkiv, 1980, 169 p.
6. Volodin A. I., Skovorodnikov E. I., Anisimov A. S. Kompleksnyi analiz termodinamich-eskikh, ekonomicheskikh i ekologi-cheskikh kharakteristik teplovoznykh dizelei v usloviiakh eksplu-atatsii: Monografiia (Comprehensive analysis of the thermodynamic, economic and environmental performance of diesel engines in operation). Omsk: OSTU, 2011, 166 p.
7. Anisimov A. S., Scovorodnikov E. I. PatentRU2014615305, 22.05.2014.
6 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(23) 2015
—— = 1 V
8. Petrychenko R. M. Fizicheskie osnovy vnutritsilindrovykh protsessov v dvigateliakh vnutren-nego sgoraniia (Physical bases intracylinder processes in internal combustion). Leningrad: LGU, 1983, 244 p.
УДК 629.4.016.1
А. А. Бакланов, Н. В. Есин, А. П. Шиляков
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ ЭЛЕКТРОВОЗОВ ДЛЯ СОКРАЩЕНИЯ ВРЕМЕНИ ХОДА ПАССАЖИРСКИХ ПОЕЗДОВ НА ТРАНССИБИРСКОЙ МАГИСТРАЛИ
Рассмотрены возможности повышения скорости движения и сокращения времени хода пассажирских поездов на Транссибирской магистрали, в том числе с помощью новых пассажирских электровозов ЭП1, ЭП2К, ЭП20.
Повышение скорости движения пассажирских поездов связано с решением ряда социальных проблем, в том числе с сокращением времени нахождения в пути, и позволяет привлечь пассажиров с других видов транспорта, т. е. повысить конкурентоспособность железнодорожного транспорта [1]. Скорость движения представляет собой один из основных факторов, влияющих на важнейшие технико-экономические показатели работы железных дорог, в том числе на энергозатраты в тяге поездов.
Сокращение времени хода предполагает прежде всего повышение максимальной скорости движения пассажирских поездов, а для этого в первую очередь необходимо увеличивать мощность и силу тяги локомотива. Сила тяги, необходимая для движения пассажирского поезда, определяется основным сопротивлением движению и дополнительным сопротивлением от подвагонных генераторов, а также профилем и планом пути. При увеличении скорости движения на участке возрастает доля основного сопротивления движению в силе тяги локомотива и снижается доля, обусловленная профилем и планом пути. При этом сила тяги локомотива и механическая работа увеличиваются пропорционально скорости движения во второй степени, а мощность и расход электроэнергии - пропорционально скорости движения в третьей степени.
В качестве примера в таблице 1 приведены значения силы тяги Fк и полезной (механической) мощности P электровоза, необходимые для движения пассажирского поезда из 17 -19 вагонов на равнинном профиле пути с различными скоростями. По этим данным видно, что при скоростном движении с максимальной скоростью 160 км/ч по сравнению с обычной скоростью 120 км/ч, т. е. при увеличении скорости движения пассажирского поезда в 1,33 раза, требуемая касательная сила тяги локомотива возрастает с 70 - 86 до 100 - 123 кН, т. е. в 1,43 раза, а мощность увеличивается с 2333 - 2867 до 4444 - 5467 кВт, т. е. в 1,9 раза, во столько же раз возрастают ток электровоза и энергозатраты.
Таблица 1 - Сила тяги и мощность электровоза при движении с пассажирским поездом из 17 - 19 вагонов
на равнинном профиле пути
V, км/ч 60 80 100 120 140 160
FK, кН 42 - 51 49 - 59 58 - 71 70 - 86 84 - 104 100 - 123
P, кВт 700 - 850 1089 - 1311 1611 - 1972 2333 - 2867 3267 - 4044 4444 - 5467
Следовательно, переход на скоростное движение пассажирских поездов требует значительного увеличения касательной силы тяги и мощности пассажирских электровозов, токовых нагрузок контактной сети, расхода энергии на тягу, поэтому повышение скорости движения необходимо обосновывать всесторонне путем выполнения технико-экономических расчетов и проведения экспериментальных исследований, которые выходят за рамки данной статьи.
№.?(253) ИЗВЕСТИЯ Транссиба
