Аналитические подходы к оценке эксплуатационной экономичности и экологических характеристик тепловозных энергетических установок

Расчет времени эксплуатационной работы дизель-генераторной установки тепловоза по позициям контроллера машиниста дает возможность оценить ее топливную экономичность в ожидаемых условиях эксплуатации на заданном участке обращения. В основу расчета положен аналитический подход [1, 2], предусматривающий с одной стороны выполнение тяговых расчетов, с другой – использование результатов экспериментальных исследований режимов работы тепловозов и их энергетических установок в эксплуатации. При этом учитываются индивидуальные технико-экономические характеристики тепловозов и их дизель-генераторных установок, структура поезда и нагрузка на ось вагона, тип и профиль пути, установленные скорости движения и условия пропуска поездов на участке обращения, нормативные параметры эксплуатации подвижного состава, метеорологические условия.

Распределение времени работы дизель-генераторной установки по позициям контроллера машиниста зависит от продолжительности использования тепловоза на каждом из эксплуатационных режимов за время поездки:

,

где  – время работы тепловоза в режиме тяги и выбега при движении поезда по участку с постоянной скоростью;  – вспомогательное время работы тепловоза, затраченное на режим простоя, на разгоны и замедления поезда, на переходные процессы.

Время работы тепловоза в режиме тяги и выбега при движении поезда по участку обращения найдем по выражению:

,

где  – время работы тепловоза на i-ой позиции контроллера машиниста;  – время движения тепловоза на i-ой позиции контроллера машиниста по j-ому элементу профиля пути;  – длина j-го элемента профиля пути;  – установленная скорость движения поезда на j-ом элементе профиля пути;  – количество позиций контроллера машиниста.

Время движения тепловоза с постоянной скоростью на i-ой позиции контроллера машиниста по каждому j-ому элементу участка пути определяем из условия равновесия удельных сил, действующих на поезд в режиме тяги и выбега. Величина требуемой касательной силы тяги локомотива () и соответствующая ей i-ая позиция контроллера машиниста (), обеспечивающая равномерное движение поезда на каждом j-ом элементе профиля пути с учетом заданных скоростей движения, веса и структуры поезда, определяется из условия  [1, 2].

Вспомогательное время работы дизель-генераторной установки тепловоза по позициям контроллера машиниста на указанных выше режимах распределим с использованием данных, полученных в ходе опытных поездок:

,

где  – доля времени работы тепловоза на i-ой позиции контроллера машиниста во вспомогательных режимах.

Используя сформированное распределение времени эксплуатационной работы дизель-генераторной установки тепловоза по позициям контроллера машиниста, определяем ее экономические характеристики для заданного участка обращения и ожидаемых условий эксплуатации. Величина удельного расхода топлива на тягу оценивается величиной потребленного топлива на измеритель работы (10⁴ ткм) [2]:

,

где  – протяженность участка обслуживания;  - масса состава;  – суммарный расход топлива за поездку ( – мощность дизеля тепловоза на i-ой позиции контроллера машиниста,  – удельный эффективный расход топлива дизеля тепловоза на i-ой позиции контроллера машиниста).

Среднеэксплуатационный расход топлива дизель-генераторной установки представляет собой отношение всего количества израсходованного топлива за поездку к выполненной работе [1]:

,

где  – суммарная работа дизель-генераторной установки тепловоза;  – работа дизель-генераторной установки тепловоза на i-ой позиции контроллера машиниста.

Некоторые результаты модельных расчета для принятых исходных данных представлены на рисунках 1, 2 и в таблице 1 (принят модельный участок обращения условно на Восточном полигоне железных дорог России протяженностью 407 км, состоящий из 160 спрямленных элементов в четном и нечетном направлении; минимальная скорость движения поезда по участку в четном и нечетном направлении составляет 35 км/ч, максимальная скорость – 80 км/ч; серия эксплуатируемого локомотива на участке 2ТЭ116; руководящий уклон в четном направлении составляет 4,8 ‰, в нечетном направлении – 4,1 ‰; вес состава, состоящего из четырехосных вагонов на подшипниках скольжения, в четном направлении – 3800 т, в нечетном – 3000 т; время поездки в четном и нечетном направлениях принято равным 12,01 ч и 12,40 ч соответственно; атмосферные условия – нормальные (стандартные для принятого полигона эксплуатации); остальные параметры эксплуатации приняты в соответствии со среднесетевыми).

Рисунок 1 – Распределение времени работы на четном направлении движения

Рисунок 2 – Распределение времени работ на нечетном направлении движения

Таблица 1

Параметры эксплуатации и экономичности на принятом участке обращения

В основу расчета экологических характеристик тепловозных энергетических установок положен метод равновесного состава, учитывающий элементарный состав топлива и параметры процесса его выгорания в цилиндре двигателя [1, 3].

Согласно работе [3], в продуктах сгорания дизельного топлива среднего элементарного состава может содержаться около 36 различных химических элементов, для количественного определения которых используются четыре уравнения материального баланса, составленные на основе неизменности отношения количества атомов отдельных элементов в ходе реакции:

; ; ; ,

где , , ,  – константы уравнений; , , , ,  – число атомов соответствующих элементов;  – коэффициент избытка воздуха.

Для определения количества продуктов сгорания топлива в цилиндре двигателя число атомов в уравнениях выражается через парциальные давления исходных химических элементов, составляющих свежий заряд цилиндра и топлива, а именно кислорода, водорода, углерода, азота и серы. Парциальные давления других продуктов сгорания выражаются через парциальные давления исходных элементов.

Связь между полным давлением смеси в камере сгорания и парциальными давлениями отдельных компонентов задается уравнением Дальтона:

,

где  – парциальное давление i-го элемента смеси, Па;  – количество элементов в продуктах сгорания дизельного топлива. Совместное решение преобразованной системы уравнений относительно неизвестных , , ,  и  выполняется численными методами. Тогда масса i-го продукта сгорания определится по уравнению состояния газов:

,

где  – малярная масса i-го продукта сгорания; ,  – объем и температура рабочего тела i-го продукта сгорания;  – универсальная газовая постоянная.

Реализация представленного выше метода возможна при известных значениях основных параметров процесса выгорания топлива в цилиндре двигателя. Значения этих параметров могут быть определены в результате моделирования рабочего процесса дизеля для заданной позиции контроллера машиниста с использованием комбинации методов Гринивецкого-Мазинга и И. И. Вибе [4].

Отдельные результаты моделирования эксплуатационных экологических характеристик дизеля 1А-5Д49 представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 – Экологические характеристики дизеля 1А-5Д49

Библиографический список

1. Володин А. И. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов [Текст]. – М.: ООО «Желдориздат», 2007. – 264 с.

2. Сковородников Е. И., Овчаренко С. М. Нормирование расхода топлива на маневровую и поездную работу тепловозов [Текст] // Ресурсосберегающие технологии в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги: материалы научно-практической конференции / ОмГУПС. – Омск, 2005. – С. 116-125.

3. Сковородников Е. И. Методы оценки и пути снижения экологического воздействия тепловозных дизелей на окружающую среду [Текст]. – Омск: РИО ОмГАПС, 1995. – 104 с.

4. Сковородников Е. И., Анисимов А. С., Шабалин А. Ю. Влияние угла опережения подачи топлива на экологические характеристики дизеля 10Д100 // Надежность и экономичность дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / ОмГАПС. – Омск, 1997. – С. 21-27.