авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 |

Повышение эффективности работы тепловозов переводом их на сжиженный газ

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ЛУКЬЯНЧЕНКО Вячеслав Вячеславович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ

ТЕПЛОВОЗОВ ПЕРЕВОДОМ ИХ НА СЖИЖЕННЫЙ ГАЗ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

ОМСК 2010

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» (ГОУ ВПО «ОмГУПС (ОмИИТ)»).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

ВОЛОДИН Александр Иванович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович;

кандидат технических наук, доцент

ОВСЯННИКОВ Виталий Васильевич.

Ведущая организация:

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения».

Защита диссертации состоится 23 апреля 2010 г. в 9:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан « 19 » марта 2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой
печатью учреждения, просим направлять по адресу диссертационного совета
Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; е-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

__________________________

© Омский гос. университет путей сообщения, 2010

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. В современных условиях важным направлением научных исследований является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации
№ 877-р от 17 июня 2008 г., одним из основных направлений развития ОАО «Российские железные дороги» является снижение расходов на топливо.

С учетом постоянного роста цен на энергоносители требуются изыскания новых резервов, которые позволили бы снизить затраты на топливо с одновременным снижением токсичности отработавших газов тепловозов. Одним из направлений решения данной задачи является перевод тепловозов на более дешевое горючее – сжиженный нефтяной газ (СНГ). С экологической точки зрения выхлопные газы при работе на сжиженном газе практически не содержат сажи и окислов серы, а содержание в них диоксида и оксида углерода существенно меньше, чем при использовании стандартного дизельного топлива. Повышение эффективности работы двигателей достигается за счет более низкой цены на сжиженный газ, снижения степени износа деталей цилиндропоршневой
группы и интенсивности разжижения моторного масла топливом.

Целью диссертационной работы является разработка методов и средств повышения эффективности работы тепловозов за счет перевода их на сжиженный газ.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

выполнить качественный и количественный анализ возможностей и условий для сохранения на тепловозе смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа;

разработать комбинированную систему топливоподачи, обеспечивающую работу тепловозов на дизельном топливе и смесях дизельного топлива со сжиженным нефтяным газом и присадками;

предложить технологию использования смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа для дизелей тепловозов, обеспечивающую улучшение эксплуатационных показателей и снижение затрат на топливо;

исследовать и определить степень влияния состава топливной смеси на эксплуатационные характеристики дизелей тепловозов;

разработать математическую модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на дизельном топливе, сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом и присадками;

обосновать и предложить критерий, оценки эффективности работы дизелей тепловозов на альтернативных видах топлива.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с применением методов теории подобия и анализа размерностей, теории рабочего процесса дизельных двигателей. Процессы топливоподачи в дизелях
описывались с помощью дифференциальных уравнений волнового движения жидкости в трубопроводах высокого давления. При обработке экспериментальных данных использовались методы теории вероятностей и математической статистики.

Научная новизна работы заключается в следующем.

  1. Доказана возможность и определены условия для длительного и устойчивого сохранения смеси дизельного топлива и сжиженного газа на тепловозе без существенной модернизации топливной системы.
  2. Предложена математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа;
  3. Разработана методика для комплексной оценки влияния состава используемого топлива на экономические и экологические показатели работы тепловоза.

Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается использованием сертифицированной измерительной аппаратуры и лабораторных установок PVT-8 и ИТ9-3. Проведение экспериментальных исследований на дизеле 7Д6 вместо тепловозного дизеля ПД1М математически обосновано с позиции теории подобия, расхождение составляет не более 7 %.

Практическая ценность диссертации состоит в следующем:

разработана система топливоподачи смеси дизельного топлива, сжиженного нефтяного газа и высокооктановой присадки, не требующая существенной модернизации топливной системы тепловоза, на технические решения которой получен патент на полезную модель;

предложена технология использования дизельного топлива в смеси с сжиженным нефтяным газом и высокооктановой присадкой, обеспечивающая снижение затрат на топливо в размере 3 – 5 %;

предложена расчетная методика, позволяющая определить степень влияния качественного состава топливной смеси на эксплуатационные характеристики дизелей тепловозов.

Основные положения, выносимые на защиту:

математическая модель для оценки эксплуатационных показателей дизелей тепловозов при работе на смеси дизельного топлива и сжиженного нефтяного газа;

результаты оценки воспламеняемости сжиженного нефтяного газа и его смеси с дизельным топливом;

аналитическое обоснование устойчивости работы тепловозного дизеля на сжиженном нефтяном газе и его смесях с дизельным топливом;

методика для комплексной оценки влияния состава используемого топлива на экономические и экологические показатели работы тепловоза.

Апробация работы. Основные положения, результаты исследований, выводы и рекомендации по переводу тепловозов на перспективное альтернативное топливо – смесь сжиженного нефтяного газа с дизельным топливом и присадками докладывались и обсуждались на всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая: передовые технологии – в промышленность» (Омск, 2008); на техническом совете службы локомотивного хозяйства Западно-Сибирской железной дороги (Новосибирск, 2008 г.); на научных семинарах кафедры «Локомотивы» ОмГУПСа (Омск, 2008 – 2009 гг.); на научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2009).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано семь печатных работ, в том числе одна – в издании, включенном в перечень ВАК Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных результатов и выводов, библиографического списка, приложений и содержит 178 страниц, 38 рисунков и 8 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования.

В первой главе представлены результаты анализа способов перевода транспортных дизелей на сжиженный газ, а также дан обзор исследований, научных и практических разработок по теме диссертации.

Существенный вклад в решение проблемы топливоиспользования в двигателях внутреннего сгорания, в частности, в области применения газообразного топлива в транспортных двигателях, внесли отечественные ученые
Боксерман Ю. И., Генкин К. И., Гольдблат Н. И., Ерофеев В. А., Камфер Г. М.,
Козин В. Ф., Коллеров Л. К., Мамедова М. Д., Певнев Н. Г., Платонов А. М., Попов А. А., Самоль Г. И., Семенов Б. Н., Стаскевич Н. А., Хандов З. А.,
Хлебников Г. К., Хмельницкий А. П., Шевченко П. Л., и другие.

На основе результатов анализа выполненных работ, по использованию СНГ в дизельных двигателях можно сделать следующие выводы.

  1. СНГ как топливо для дизелей подвижного состава имеет значительную сырьевую и ресурсную базу.
  2. При переводе тепловозов на СНГ существенно улучшаются эксплуатационные качества двигателей, уменьшается выброс токсичных веществ, увеличивается межремонтный срок службы дизелей за счет уменьшения износа деталей цилиндропоршневой группы и топливной аппаратуры дизелей.
  3. Наиболее перспективным способом модернизации дизелей тепловозов для работы на СНГ является применение метода непосредственного впрыска. Однако для этого недостаточно отработаны схемы топливоподачи, обеспечивающие надежный пуск и устойчивую работу.
  4. Для разных типов дизелей рекомендованы часто противоречивые соотношения состава топливных смесей и высокооктановых присадок.
  5. Недостаточно изучены вопросы выбора способа смесеобразования и улучшения воспламеняемости топлива (повышения цетанового числа).

С учетом изложенного в первой главе диссертации сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе изложены результаты исследований по обеспечению устойчивости работы топливной аппаратуры дизеля при работе на СНГ; устойчивости смесей СНГ и дизельного топлива от расслоения.

Для исследования явлений, происходящих в потоке газообразного топлива в жидкой фазе, применялось известное из гидравлики уравнение неустановившегося напорного движения реальной жидкости в трубах. В общем виде это уравнение имеет вид:

. (1)

Выражая скорость в различных участках топливной магистрали через скорость в питающем канале насоса k при помощи уравнения неразрывности, после выполнения известных преобразований было получено уравнение для расчета давления pх в топливной системе в любом сечении:

, (2)

где – коэффициент сопротивления системы; – давление подкачки; – удельный вес газа; – соответствующие площади сечений; – приведенная длина магистрали.

Давление в напорном баке можно записать как сумму давлений насыщенных паров применяемого топлива и избыточного давления :

. (3)

Выбранное значение при любых условиях работы должно обеспечить превышение давления потока топлива в опасном сечении над давлением его насыщенных паров .

Таким образом, для стабильной работы топливной аппаратуры на СНГ или другом легком топливе необходимо выполнить условие:

> . (4)

Рассчитаны значения минимально необходимого давления подкачки топлива : для дизельного топлива – 1,8 кг/см2, для СНГ – 8,5 кг/см2.

В силу малой кинематической вязкости СНГ и его смеси с дизельным топливом, и их относительно высокой испаряемости и сжимаемости коэффициент подачи топливной системы п при эксплуатации на них снижается. В среднем при работе на СНГ, коэффициент подачи топливной системы п на сжиженном нефтяном газе по сравнению со значением п на дизельном топливе, уменьшается на малых подачах до 30 %, а на больших – до 16 %.

На основе графоаналитического метода, предложенного профессором
Г. М. Камфером, а также данных А. А. Чарыкова, предположившего, что при прочих равных условиях одинаковому значению ЦЧ соответствует одинаковое значение периода задержки воспламенения (ПЗВ), разработана расчетно-экспериментальная методика определения воспламеняемости смеси дизельного топлива, сжиженного нефтяного газа и высокооктановой присадки. Такими присадками рекомендованы изопропилнитрат, гидроперекись кумола, бутилнитрат и др.

Предложены аналитические зависимости для оценки воспламеняемости смесей:

, (5)

где ; (6)

и – соответственно ЦЧ и доля низкоцетанового компонента в смеси; и – ЦЧ и доля высокоцетанового компонента (дизельного топлива) в смеси.

Формула (6) выражает величину, на которую повышается значение ЦЧ смеси от действия присадки.

Значение ЦЧ1 низкоцетанового компонента, учитывая природу топлива (парафинового и ароматического основания), вычисляется по формулам:

; (7)

; (8)

где – октановое число используемого в дизеле альтернативного легкого топлива.

Значение для стандартного дизельного топлива вычисляется по выражению:

, (9)

где ; (10)

, – плотность топлива и температура выкипания 50 % фракции дизельного топлива.

Выборочные расчеты показали, что расхождение при оценке значений ЦЧ топлива и смесей с присадками по предполагаемой методике и моторным методом на установке ИТ9-3 не превышает 7 %.

В третьей главе изложен метод и проведены расчеты процессов топливоподачи сжиженного газа в топливной аппаратуре тепловозного дизеля ПД1М.

Показана необходимость применения при использовании СНГ динамической теории впрыска, которая базируется на известном волновом уравнении.

Современное состояние теории подобия позволяет научно обоснованно обобщать и распространять физические закономерности единичных процессов на группу им подобных. Методы подобия могут служить основой и для моделирования процессов впрыска топлива в дизелях.

В общем случае необходимыми и достаточными условиями подобия процессов впрыска являются тождественность дифференциальных уравнений, описывающих движение жидкости, и граничные условия у насоса и форсунки в безразмерном виде, а также геометрическое подобие систем топливоподачи.

С использованием общей методологии теории подобия, были рассмотрены процессы, протекающие в топливной системе дизельного двигателя.

Избыточное давление в форсунке p, подъем иглы u и скорость истечения топлива через сопла 0 могут быть выражены через параметры топливной системы и время:

; (11)

; (12)

, (13)

где H – характеристический ход плунжера; – характеристическая скорость плунжера; с – жесткость пружины форсунки; Мп – приведенная масса пружины форсунки; p0 – давление открытия иглы форсунки; – коэффициент сжимаемости топлива; – плотность топлива; – характеристический промежуток времени, соответствующий углу поворота кулачкового вала .

Пользуясь теорией размерностей, уравнения (11, 12, 13) можно привести к безразмерному виду:

, (14)

, (15)

. (16)

Анализ уравнений (14), (15), (16) показывает, что параметры геометрически подобных топливных систем, у которых движение плунжера кинематически подобно, должны удовлетворять следующим четырем условиям:; ; ; . Это значит, что при выполнении указанных выше условий, диаграммы, отображающие изменение давления p, скорости истечения топлива 0, подъема иглы u в соответствующих безразмерных координатах для разных систем, совпадут независимо от значений отдельных параметров. Величины En, С, Mn и k8 являются критериями подобия.

При принятых допущениях закон подачи топлива выражается функцией:

. (17)

Секундный расход топлива через сопло можно записать так:

. (18)

Если разделить уравнение (18) на и приравнять его к уравнению (17), то после несложных преобразований получим закон подачи топлива в окончательном виде:

. (19)

Результаты модельных сравнительных исследований процессов топливоподачи двух разных топлив у ТНВД (рис. 1) и форсунки тепловозного дизеля ПД1М показали, что изменение значений давления для топлива с разной сжимаемостью существенно разнится, что требует проведения соответствующих перерегулировок топливной аппаратуры дизеля.

Рис. 1. Результаты исследований процесса топливоподачи у насоса тепловозного дизеля ПД1М для разных топлив: и – экспериментальное и расчетное давление дизельного топлива; – давление смеси сжиженного газа и дизельного топлива; – давление сжиженного газового топлива

В четвертой главе представлена реконструкция топливной системы тепловоза ТЭМ-2 для работы дизеля ПД1М на СНГ.



Pages:   || 2 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.