Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор
1.1. Продление навигации на речном транспорте - как важный резерв повышения его эффективности 11
1.2. Работа судовых энергоустановок в условиях горячего отстоя судна 13
1.3. Системы электростартерного пуска судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС) 15
1.4. Режимы работы энергоустановок при горячем отстое автомобилей 17
1.5. Режимы работы энергоустановок, в условиях горячего отстоя тепловозов 18
1.6. Электростартерный пуск судовых и тепловозных ДВС 21
1.7. Электростартерный пуск ДВС автомобилей 28
Выводы по первой главе 31
Глава 2. Теоретические исследования процессов обогрева энергоустановок в режиме горячего отстоя транспортных средств 33
2.1. Исследование характеристик существующих способов обогрева энергоустановок транспортных средств (ЭТС) 33
2.1.1. Обогрев ЭТС путем непрерывной работы ДВС на холостом ходу 33
2.1.2. Обогрев ЭТС в повторно-кратковременном режиме работы ДВС 37
2.1.3. Обогрев ЭТС с помощью электронагревателей
2.1.4. Обогрев ЭТС в режиме принудительного холостого хода ДВС 49
2.1.5. Обогрев ЭТС от стороннего источника энергии 53
2.2. Обоснование концепции регулирования теплового состояния энергоустановок в условиях горячего отстоя транспортных средств 55
2.3. Исследование электромеханических характеристик существующих систем электростартерного пуска ДВС транспортных средств 58
2.3.1. Модель стартёрного электропривода с двигателем последовательного возбуждения 60
2.3.2. Модель стартёрного электропривода с двигателем смешанного возбуждения 68 Выводы по второй главе 73
Глава 3. Исследование характеристик элементов энергоустановок транспортных средств 76
3.1. Обзор разновидностей и характеристик водяных систем энергоустановок транспортных средств 76
3.2. Натурные исследования ВС транспортного средства. 79
3.3. Динамическая характеристика водяной системы энергоустановки транспортного средства 83
3.4 Динамическая характеристика ДВС транспортного средства 89
3.5. ДВС транспортного средства как регулирующий орган системы автоматического регулирования (САР) 91
3.6. Стартерный двигатель как усилительный элемент САР теплового состояния энергоустановки транспортного средства 98 Выводы по третьей главе 104
Глава 4. Синтез, моделирование САР обогрева энергоустановки транспортного средства и технико-экономическая эффективность 106
4.1. Выбор базы натурных исследований и опытного внедрения результатов диссертации 106
4.2. Идентификация тепловых параметров ВС энергоустановки транспортного средства (ТС) по данным натурных наблюдений 107
4.3. Экспериментальные исследования параметров регулируемого объекта САР теплового состояния ЭТС 113
4.4. Экспериментальные исследования параметров усилительного элемента САР теплового состояния ЭТС 117
4.5. Экспериментальное определение параметров регулирующего органа САР 118
4.6. Моделирование САР теплового состояния энергоустановки транспортного средства 120
4.6.1. Задачи моделирования 120
4.6.2. Модель САР энергоустановки транспортного средства 120
4.7. Разработка и исследование регулятора возбуждения стартер-генератора ТС 125
4.8. Технико-экономическое обоснование 137
Выводы по четвертой главе 142
Заключение 143
Библиографический список 146
Приложения 157
- Системы электростартерного пуска судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
- Обогрев ЭТС путем непрерывной работы ДВС на холостом ходу
- Обзор разновидностей и характеристик водяных систем энергоустановок транспортных средств
- Идентификация тепловых параметров ВС энергоустановки транспортного средства (ТС) по данным натурных наблюдений
Введение к работе
В последние годы наблюдаются позитивные сдвиги в состоянии экономики России (РФ). Наметился рост выпускаемой продукции, что нашло свое отражение также и в оживлении деятельности транспорта.
Наиболее значительным явлением следует признать поставленную перед транспортом страны задачу развития мультимодельных (сквозных) автоводно-железнодорожных перевозок.
Транспорт при этом рассматривается как единая система, объединенная общей задачей комплексного решения повышения экономичности перевозок грузов и пассажиров.
Технический и организационный прогресс в одном виде транспорта тогда служит вкладом в повышение показателей работы всей транспортной системы.
Особое значение приобретают мероприятия этого прогресса, которые являются общими для всех видов транспорта.
Одно из проявлений такой общности отражает задача технической эксплуатации подвижного состава в холодное время года. Важнейшей технологической операцией при этом становится обогрев энергоустановки транспортного средства в режиме горячего отстоя. Этот режим характерен и неизбежен для всех видов транспорта.
На речном транспорте наметившийся рост грузооборота возрождает забытую в последние годы проблему продления навигации.
Ледокольный флот, караваны транспортных судов, плавучие краны и технические суда по технологическим причинам, исполнению графика движения, условиям работы во льдах вынуждены значительную часть валового времени рейса пребывать в режиме горячего отстоя в период продления навигации.
Тепловозы железнодорожного транспорта согласно организации их работы в большом количестве ежесуточно выводятся в 12-ти часовой горячий отстой.
Работа автотранспорта также сопряжена с необходимостью поддерживать дизель энергоустановки и его системы в режиме горячего отстоя, причем не только в ночное, но и нередко в дневное время суток.
Способы обогрева энергоустановок подвижных средств различных видов транспорта зачастую оказываются одинаковыми. Наиболее типичным, распространенным, наименее экономным и, несмотря на это, общим для всех видов транспорта является обогрев энергоустановок путем работы дизеля на холостом ходу.
Суда у причалов, на рейдах, тепловозы в депо, автомобили в парках, на стоянках, нередко под окнами домов сжигают с большим избытком топливо, загрязняют атмосферу выхлопными газами.
Снижение расходов энергии на единицу транспортной продукции сейчас является одной из главных государственных задач. На речном, автомобильном и железнодорожном транспорте сосредоточены огромные резервы реализации элементов энергосберегающей технологии.
Таким образом, производственная проблема смыкается с энергетической проблемой рационального, исключающего избыточный расход использования энергии на обогрев энергоустановки транспортного средства. Тема диссертации по своей цели приобретает расширенное значение, становится частью общегосударственной проблемы энергосберегающей технологии производственных процессов. Без успешного решения этой задачи невозможно решить и задачу роста промышленной сельскохозяйственной и транспортной продукции. Об этом совершенно определенно заявляют руководители энергетической отрасли страны.
Энергетические проблемы, возникающие при первых же положительных подвижках в экономике, были вполне прогнозируемыми.
За последнее десятилетие прошлого века добыча нефти и газового конденсата сократилась более чем в два раза по сравнению с концом 80- годов прошлого столетия. Ошибки в результате геологоразведочных работ, спонтанное бурение скважин в Западной Сибири привели к прекращению фонтанирования нефти, увеличилась себестоимость ее добычи и, конечно же, уменьшился объем.
Шахты становятся все более дотируемыми. На каждую новую закрываются две старые. В атомной энергетике наблюдается застой, впрочем, как и в гидроэнергетике.
По мере становления экономики страны все большее значение будет приобретать экономное и бережливое расходование энергии. Это один из главных и пока наиболее доступных путей решения энергетической проблемы не только в государственном, но и в мировом масштабе.
Отечественные и зарубежные ученые-энергетики указывают на существование этой проблемы. Иные доказывают, что эта проблема не исключена и в форме энергетического голода. Тогда целесообразно работу над диссертацией предварить высказыванием индийского ученого Гоми Баба, сделанного еще в 1964 году: "Никакой вид энергии не обходится так дорого, как ее недостаток" [123].
Применительно к реальным потребностям промышленности, сельского хозяйства и транспорта недостаток энергетических ресурсов может стать главным препятствием развития экономики страны.
В экономических программах РФ заложено, что 20% энергопотребления должны покрываться мероприятиями энергосберегающей технологии. Невыполнение этого автоматически приводит к подрыву экономических и социальных программ.
Транспорт страны играет важнейшую роль в обеспечении функционирования промышленности, обеспечивая взаимную поставку продукции.
С ростом экономики увеличивается объем транспортной продукции -перевозок грузов, но возрастает и потребление энергоресурсов.
Снижение расходов энергии на единицу транспортной продукции сейчас является одной из главных государственных задач.
Наиболее оптимистические прогнозы в отечественной энергетике могут быть связаны с рационализацией использования ресурсов. На речном, автомобильном и железнодорожном транспорте имеются огромные резервы реализации элементов энергосберегающей технологии.
Автор диссертации сосредоточил свои усилия на проведение исследований в этом направлении на энергоустановках транспортных средств, главным образом судов и тепловозов.
Электрификация железных дорог нашей страны не исключила широчайшего применения тепловозной тяги. Используется огромный парк маневровых и магистральных тепловозов.
Организация работы этого вида транспорта сопряжена с периодическим выводом их в режим горячего отстоя. При отрицательных температурах воздуха поддержание положительной температуры воды в системе охлаждения дизеля достигается его работой на холостом ходу. Расходуется огромное количество дорогостоящего и становящегося все более дефицитным дизельного топлива.
Так, например, лишь в депо Горьковской железной дороги ежесуточно по 12 часов в холодное время года на холостом ходу работает до 70 тепловозов серии ЧМЭЗ. Расчетный период такого отстоя длится 150 дней. За это время сжигается непроизводительно 1300 тыс. тонн дизельного топлива.
Подобные примеры можно привести и в деятельности речного транспорта. Отсюда вытекает острая актуальность работ, направленных на сокращение затрат энергии на обогрев энергоустановки транспортного средства в холодное время.
Это подтверждается творческой активностью научных организаций и инженерно-технических работников авто и ж.д. транспорта. Куйбышевский институт инженеров ж.д. транспорта, с целью повышения экономичности обогрева энергоустановки тепловоза, разработал «Устройство для управления прогревом тепловоза» [1].
Специалистами Научно-исследовательского института тепловозов и путевых машин с участием старшего научного сотрудника О.М. Котова разработана многофункциональная система управления и безопасности «Локомотив». Одной из функций системы является «автопрогрев», по принципу «пуск-оста новка» дизеля [51].
Инженер локомотивного отдела Белгородского отделения Ю.В.Ж.Д. В.П. Мерцалов разработал и внедрил «Универсальную систему прогрева тепловозов» [62] с учетом допустимого времени охлаждения по воде, маслу и дизельному топливу, расходу топлива согласования параметров процесса прогрева.
На судах и тепловозах возможен способ обогрева дизеля энергоустановки путем прокачки воды от стороннего источника тепла -водогрейного котла. На ряде серий тепловозов и судах речного флота обогрев дизеля осуществляется путем отбора тепла от встроенных в систему электронагревателей [70]. Пермский политехнический институт провел натурные исследования режима принудительного холостого хода тепловозного дизеля с целью его обогрева.
Столь широкое разнообразие способов обогрева энергоустановок транспортных средств одновременно сочетается с отсутствием теоретических рекомендаций по выбору наиболее эффективного решения поставленной задачи обоснования экономичной системы. В этом состоит главный, общий недостаток всех способов обогрева энергоустановок транспортных средств.
Это относится также и к выбору эффективного решения задачи снижения пускового тока в системе электростартерного пуска судовых и тепловозных дизелей.
Широкое разнообразие способов снижения этого тока, также не имеет достаточно убедительного основания для выбора оптимального решения.
Целью диссертации является разработка экономичного способа и системы регулирования теплового состояния судовой энергоустановки в режиме горячего отстоя транспортного средства, а также мероприятий по улучшению показателей системы электростартерного пуска дизеля, обеспечивающей работу системы обогрева.
Для достижения поставленной цели надлежит решить следующие задачи диссертации:
- исследование энергетических показателей существующих способов и систем обогрева энергоустановок транспортных средств (ТС).
- разработка концепции энергосберегающей технологии обогрева энергоустановки транспортного средства в режимах горячего отстоя ТС.
- разработка динамических моделей элементов системы обогрева энергоустановки ТС.
- разработка компьютерной программы определения тепловых параметров регулируемого объекта системы обогрева энергоустановки транспортного средства.
- исследование существующих способов снижения пускового тока в системе электростартерного пуска дизеля ТС.
- разработка автоматического регулятора электростартерного пуска дизеля ТС, обеспечивающего существенное снижение пускового тока - моделирование и натурные испытания системы регулирования теплового состояния энергоустановки транспортного средства.
Таким образом, цель и задачи диссертации подчинены повышению экономичности энергоустановок, рациональному использованию топлива и отражают главное требование интенсификации работы транспорта, т.е. увеличение его конечного продукта (грузооборота) при уменьшении промежуточного (топлива).
Системы электростартерного пуска судовых двигателей внутреннего сгорания (ДВС)
Для разработки системы автоматического обогрева энергоустановки в режиме повторно кратковременного пуска необходимо проанализировать использующиеся методы пуска ДВС, чтобы найти возможные пути их оптимизации.
Для запуска двигателя надо привести его во вращение посредством какого-либо внешнего источника энергии до, так называемого, «пусковой» частоты вращения, т.е. до наименьшего числа оборотов в минуту, при котором обеспечивается самовоспламенение впрыснутого в двигатель топлива [22, 53, 77, 116].
Пусковая система сжатого воздуха состоит из следующих основных устройств: а) вспомогательных компрессоров; б) баллонов сжатого воздуха; в) трубопроводов высокого давления; г) редукционного клапана; д) главного (маневрового) клапана; е) пусковых распределителей; ж) пусковых клапанов рабочих цилиндров и др.
Ручной пуск применяется в маломощных двигателях и осуществляется разворачиванием двигателя при посредстве рукоятки, сцепляемой с коленчатым валом. Пуск электростартером применяется в быстроходных двигателях малой и средней мощности и осуществляется от сериесных электродвигателей постоянного тока, снабженных специальным устройством для сцепления на время пуска с зубчатым венцом маховика. Источником питания стартеров являются аккумуляторные батареи. Механизмы сцепления встречаются трех типов: а) инерционный с перемещением шестерен по винтовой резьбе; б) с принудительным перемещением и муфтой свободного хода; в) с принудительным перемещением по спиральным шлицам и самовыключением шестерни. Пуск обратимым электродвигателем применяется в дизель-генераторах постоянного тока при наличии резервной аккумуляторной батареи; в этом случае генератор на период пуска обращается в сериесный электродвигатель благодаря наличию дополнительной сериесной обмотки. [21, 22, 116] Особенности пускового режима. Пусковым называется режим, на котором работает дизель в период от начала вращения коленчатого вала с помощью пускового устройства до начала работы на топливе. Он характеризуется непостоянством параметров рабочего цикла, тепловой и . механической напряженностью дизеля. Тепловое состояние оказывает значительное влияние на пусковые качества дизеля. С понижением температуры охлаждающей воды и масла резко увеличиваются продолжительность пуска и расход энергии на него, а при температуре ниже -15 --20С быстроходных и -5 -8С тихоходных дизелей пуск становится невозможным. Это объясняется неудовлетворительными условиями смазки, охлаждения и смесеобразования в пусковой период. Холодное масло имеет высокую вязкость, вследствие чего увеличиваются силы трения, преодолеваемые пусковым устройством. При . указанной выше температуре мощность пускового устройства не обеспечивает необходимую для пуска минимальную частоту вращения. Низкие начальные температуры охлаждающей воды и стенок цилиндра приводят к повышенным потерям тепла через стенки, в результате чего в конце сжатия температура воздуха бывает, недостаточна для самовоспламенения топлива. Повышенная вязкость топлива при низких температурах ухудшает качество распыливания и также отрицательно влияет на пуск дизеля. При частоте вращения коленчатого вала меньшей, чем требуется для пуска, давление распыливания топлива не обеспечивает образования однородной рабочей смеси в цилиндре. Понижение качества смесеобразования при малой частоте вращения сказывается еще более заметно при износе топливной аппаратуры, когда увеличивается неравномерность подачи топлива по цилиндрам. [29, 32, 84] На некоторых судах установлены вспомогательные и главные двигатели с автоматизированным и дистанционным пуском, не оборудованные системой автоматической прокачки маслам и пускающиеся при полной подаче топлива. [21, 36]. На автомобилях при горячем отстое или пуске используют пусковой подогреватель [19]. У автомобилей ГАЗ-53А и ГАЗ-66 пусковой подогреватель (рис. 1.1) имеет котел 9, включенный в систему охлаждения двигателя. В камеру сгорания котла топливо подается самотеком из бака 2. Поступление топлива дозируется регулировочной иглой электромагнитного клапана 7. Воздух подается вентилятором 3. Смесь воспламеняется свечой 8. В цепь свечи включено дополнительное сопротивление, установленное на пульте управления подогревателем. По накалу спирали сопротивления судят о работе свечи. Когда в камере сгорания котла будет достигнуто устойчивое горение, свечу выключают (топливо будет воспламеняться от ранее зажженного пламени). На автомобилях КамАЗ пусковой подогреватель используют при температуре ниже 248 К (—25С). Для облегчения пуска холодного двигателя при температуре до 248 К (—25С) предназначено пусковое устройство «Термостарт». Подача топлива на раскаленные электрокафельные свечи обеспечивается при проворачивании коленчатого вала двигателя стартером. Образовавшийся во впускных трубопроводах факел подогревает воздух, поступающий в двигатель.
Обогрев ЭТС путем непрерывной работы ДВС на холостом ходу
При пуске автомобильного или тракторного двигателя вращение коленчатого вала с необходимой частотой вращения, придаваемой стартером, осуществляется до получения первых вспышек рабочей смеси топливных газов и воздуха.
Энергия стартера расходуется на преодоление работы сил трения, приведение в движение вспомогательных механизмов (водяного, масляного и топливного насосов, генератора, вентилятора и др.), совершение ходов впуска и выпуска в четырехтактных и совершение процесса газообмена в двухтактных двигателях, сообщение кинетической энергии движущимся массам двигателя и преодоление в начальный период пуска работы на сжатие рабочей смеси (или воздуха в дизелях). [19, 57]
Сопротивление вращению коленчатого вала зависит от многих причин, в том числе от теплового состояния двигателя. С понижением температуры двигателя сопротивление возрастает. Пусковая частота вращения коленчатого вала, необходима для обеспечения пуска, — зависит от типа двигателя. Пусковая частота вращения карбюраторных двигателей должно обеспечивать: 1) образование в конце хода сжатия смеси, находящейся в пределах воспламеняемости; 2) получение интенсивной искры, достаточной для воспламенения рабочей смеси; 3) получение температур и давлений смеси, достаточных для повышения частоты вращения коленчатого вала от пускового значения до устойчивого. Пусковая частота вращения карбюраторных двигателей ЗСН-60 об/мин., у дизелей она должна быть достаточным для обеспечения надежного воспламенения впрыскиваемого в цилиндр топлива. [19] Способы пуска двигателей: Пуск от руки, т.е. за счет мускульной силы человека, — наиболее простой способ пуска двигателя. Обычно пуск автомобильных и тракторных двигателей производится при помощи специальных устройств, к числу которых относятся стартеры, пневматические пусковые устройства, инерционные устройства и вспомогательные пусковые двигатели. Пуск электростартером является наиболее часто применяемым способом пуска автомобильных двигателей. Затрачиваемая на привод электростартера мощность 0,4- 2,8 л. с. для карбюраторных двигателей и 2,(Н8,0 (и больше) л. с. для дизелей. Для пуска тракторных двигателей электростартеры применяют в редких случаях, что объясняется в основном быстрой разрядкой аккумуляторных батарей при частых включениях электростартера и быстрым разрушением этих батарей из-за тряски. Пневматические стартеры устанавливают на двигатели в некоторых, очень редких случаях. Это специальные воздушные двигатели, в которые поступает сжатый воздух из баллонов. Инерционные стартеры применяют для пуска автомобильных и тракторных двигателей. Принцип действия этих стартеров основан на использовании кинетической энергии специального маховика. Этот маховик перед пуском двигателя раскручивается от руки или от электродвигателя до большого числа оборотов, после чего вращение маховика при помощи механизма включения передается коленчатому валу. Вспомогательные четырех- или двухтактные карбюраторные двигатели применяют наиболее часто для пуска тракторных дизелей мощностью более 35 л.с. Это обычно одно- или двухцилиндровые двигатели мощностью 5+20 л.с. (и выше) с зажиганием от магнето, устанавливаемые на блок-картерах дизелей. Пуск вспомогательных двигателей производится от руки. Для осуществления пуска дизеля на бензине на нем устанавливают карбюратор, магнето, свечи и другое оборудование. После пуска и прогрева двигателя на бензине выключаются вспомогательные камеры, включается подача дизельного топлива, и двигатель начинает работать с воспламенением от сжатия. [57] Рассмотрим возможные схемы электростартерного пуска двигателя. Система пуска состоит из стартера, аккумуляторной батареи, цепи стартера и средств облегчения пуска. Особенностью системы пуска автомобильных двигателей является то, что мощности аккумуляторной батареи и стартера близки между собой. Поэтому при пуске двигателя напряжение аккумуляторной батареи значительно изменяется в зависимости от тока, потребляемого стартером. В таких условиях на пуск двигателя большое влияние оказывают состояние аккумуляторной батареи (ее температура, степень заряженности, износ) и состояние цепи стартера. В качестве стартера применяют электродвигатели постоянного тока последовательного возбуждения. Реже применяют стартеры со смешанным возбуждением (для двигателей легковых автомобилей). Это делается с целью снизить частоту вращения якоря стартера на холостом ходу. [57] Чтобы пустить двигатель, стартер должен преодолеть его момент сопротивления, который представляет собой сумму моментов: момента сил трения, момента от сжатия, момента для привода вспомогательных механизмов, установленных на двигателе (воздушный компрессор, масляный насос, топливный насос на дизелях и т. д.), а также момента на преодоление сил инерции вращающихся и поступательно движущихся масс двигателя. [19] Для всех двигателей характерно увеличение минимальной пусковой частоты вращения с понижением температуры пуска. Чем больше число цилиндров, тем ниже пусковая частота вращения двигателя. У дизельных двигателей пусковая частота вращения значительно выше, чем у карбюраторных двигателей. Применение пусковых жидкостей (вводимых во всасывающий коллектор) значительно снижает минимальную пусковую частоту вращения и облегчает пуск холодных двигателей. Для пуска двигателя необходимо не только сообщить коленчатому валу скорость, превышающую минимальную пусковую, но и повернуть вал определенное число раз (2—3), чтобы в цилиндрах двигателя образовалась рабочая смесь, которую может воспламенить искра.
Чем ниже температура двигателя, тем больше момент сопротивления двигателя прокручиванию и хуже механическая характеристика стартера за счет снижения температуры аккумуляторной батареи, а, следовательно, и меньше частота прокручивания вала двигателя при его пуске. [19, 57]
На автомобильных двигателях не предусмотрен режим автоматического обогрева энергоустановки, т.к. это повлечет за собой частые пуски двигателя и быстрый износ аккумуляторной батареи. При необходимости горячего отстоя автомобилей двигатели не выключают, что влечет за собой большой расход топлива, а значит, проблема автоматического обогрева остается не решенной.
Обзор разновидностей и характеристик водяных систем энергоустановок транспортных средств
Задачу автоматизации процесса обогрева энергоустановки транспортного средства (ТС) можно поставить, ориентируясь на различные принципы, различные виды САР. Базой для развития такой задачи может служить каждый из перечисленных ранее способов обогрева ВС, т.е. путем периодической работы дизеля в режиме холостого хода, и с помощью электронагревателей, и посредством работы дизеля в режиме принудительного холостого хода. Основным требованием производства при выборе способа обогрева ВС на первом этапе решения этой проблемы выдвинута автономность системы. Транспортные средства выводятся в горячий отстой не только в местах базирования, но и в любом промежуточном пункте. Только первые два из перечисленных способов обогрева ЭТС не требует постороннего источника энергии. Многие системы обогрева ВС, как автоматизированные так и неавтоматизированные, не получили распространения из-за невозможности их автономной работы. Кроме то] о, концепция регулирования теплового состояния энергоустановки транспортного средства должна учитывать работу системы обогрева в условиях изменения температуры окружающей среды в широких пределах. Рациональное использование топлива, затрачиваемого, на обогрев может быть достіігнуто лишь при адаптации системы к изменяющимся температурным условиям наружной среды. При небольших отрицательных значениях наружного воздуха расход топлива должен уменьшаться относительно количества, затрачиваемого при сильном морозе. Таким образом, очередной составляющей формируемой концепции становится адаптивность системы регулирования теплового состояния энергоустановки ТС к условиям изменяющейся температуры наружной среды. В научно-исследовательском центре государственных железных дорог Германии в Мюнхене изучалось распределение температуры в элементах силовой энергоустановки, имеющей мощность 1839 кВт, при свободном охлаждении. Был сделан вывод о значительной неравномерности охлаждения различных элементов, создающей угрозу замерзания воды в некоторых из них. Исследования, выполненные А.П. Шлиховым и В.И. Евдокеенко [30], дали аналогичные результаты, а именно, отмечена неравномерность охлаждения водяной системы, что создает опасность местного ее замерзания при относительно высокой темпераггуре воды в дизеле. Следовательно, для обеспечения тепловой безопасности всех элементов ВС чувствительные элементы автоматического регулятора должны контролировать температуру в двух элементах - с наибольшей и наименьшей теплоемкостью. Это будет очередной составляющей формируемой концепции. Все существующие и перспективные системы обогрева можно разделить на бортовые и стационарные. Бортовые монтируются непосредственно на транспортном средстве (судне, тепловозе) и являются автономными в отличие от стационарных источников энергии, что несомненно является их преимуществом. Стационарные системы требуют достаточно мощных котельных установок или электрических подстанций, которые могут обеспечить прогрев и обогрев энергетических установок одновременно нескольких транспортных средств. Их недостатками являются необходимость выделения специальных путей отстоя тепловозов, строительство теплоподготовительных пунктов, раздаточных колонок и др. Большинство существующих портов и локомотивных депо стеснены территориально, и реализация такого рода проектов в них затруднительна. Кроме этого зависимость транспортного средства от стороннего источника энергии ликвидирует его автономность. Таким образом, автономность системы обогрева энергоустановки транспортного средства решающим образом влияет на возможность широкого ее использования в производственной деятельности депо. Сравнительная оценка основных способов обогрева ВС показала, что в принципе, возможно использовать различные показатели для такой оценки -ценовые, конъюнктурные и др. Однако, наиболее предпочтителен для этих целей энергетический показатель, т.е. коэффициент полезного действия "системы, поскольку все другие критерии носят временный, неустойчивый характер, т.е. оценка системы обогрева по энергетическому показателю является приоритетной по сравнению с другими [31, 123]. Это тем более правомерно когда цена за один баррель топлива превышает 70 долларов США. Необходимо также помнить изречение Гоми Баба, что никакой вид энергии не обходится так дорого, как его недостаток. По совокупному энергетическому критерию, (к.п.д. порядка 47%) автономности и простоте в эксплуатации преимуществом обладает система автоматического обогрева энергоустановки при работе дизеля на холостом ходу в циклическом или повторно-кратковременном режиме.
Наконец, основополагающим принципом концепции является необходимость предпусковой прокачки масла во всей системе смазки. Только в этом случае применимы все составляющие разрабатываемой концепции. В обосновании необходимости этого мероприятия положен опыт эксплуатации энергоустановок тепловозов серии ЧМЭЗ. На основании результатов исследований, выполненных специалистами МПС, правилами эксплуатации санкционирован повторно-кратковременный режим работы дизеля при обогреве энергоустановки [70]. Перед пуском дизеля в течение 25- -30 с. работает маслопрокачивающий насос, который засасывает масло из бака и через обратный клапан подает его в маслораспределительную коробку, а также через фильтр в объединенный регулятор дизеля. Из маслораспределителы-юй коробки масло поступает в масляные коллекторы и далее ко всем точкам смазывания, чем обеспечивается жидкостное трение деталей во время пуска дизеля [70].
Внедрение автоматизированной системы обогрева ВС непосредственно связано с исследованиями по существенному снижению пика пускового тока аккумуляторной батареи при электростартерном пуске дизеля [124]. Эта мера является обязательной, поскольку автоматический обогрев энергоустановки транспортного средства основан на повторно - кратковременном режиме работы дизеля. При этом дизель испытывает от двух до восьми пусков за двенадцать часов работы, что пагубно влияет на срок службы аккумуляторной батареи, надежность запуска дизеля. Следовательно, без существенного снижения пускового тока аккумуляторной батареи при пуске дизеля система обогрева, основанная на повторно-кратковременном режиме работы дизеля на холостом ходу, не может использоваться на практике из-за повышенного расхода ресурса батареи, что обесценивает результаты такой автоматизации [123].
Идентификация тепловых параметров ВС энергоустановки транспортного средства (ТС) по данным натурных наблюдений
Эффективный и экономичный способ обогрева энергоустановок представляет собой актуальную задачу, для всех видов транспортных средств. 2. Натурные исследования температурных характеристик элементов водяной системы при охлаждении и нагревании выявил существенные отклонения от экспоненциального закона изменения температуры во времени. 3. Обоснованное в диссертации дифференциальное уравнение элемента водяной системы способно учитывать влияние изменения температуры окружающей среды на точность сходимости результатов натурных исследований и математического моделирования. 4. Исследованием динамики дизельгенератора тепловоза как базы натурных исследований установлен слабо выраженный колебательный характер движения при сбросе и набросе нагрузок. 5. Использование дизеля в качестве регулирующего органа системы обогрева энергоустановки транспортного средства, работающего в повторно-кратковременном режиме с КПД 47,8% позволяет обеспечить уменьшение часового расхода топлива в 3-Н- раза в зависимости от температуры наружного воздуха по сравнению с продолжительным режимом работы ДВС. 6. Натурными исследованиями и моделированием процесса стартернои системы пуска дизеля для обогрева энергоустановки тепловоза установлено, что пик тока батареи достигает 1803,6 А, провал её напряжения составляет 50% от номинального значения. Это является преградой использования работы дизеля на обогрев энергоустановки в повторно-кратковременном режиме. 7. Установлено, что главной причиной указанного явления является низкое использование магнитной цепи стартерного двигателя. Трогание с места его вала на тепловозе ЧМЭЗ происходит при токе ICT = 533,2 А и магнитодвижущей силе ICT -wn = 2132,8 А -витка, тогда как этот параметр в номинальном режиме стартер-генератора составляет 7680 А витков. 8. Основополагающей задачей реализации обогрева энергоустановки ТС путем работы дизеля в повторно-кратковременном режиме является совершенствование системы электростартерного пуска путем повышения использования магнитной системы стартер-генератора Выбор базы натурных исследований и опытного внедрения результатов диссертации Всеобщий характер проблемы экономичного расхода энергии на обогрев энергоустановки транспортного средства дает возможность выбора базы проведения исследований на энергоустановке речного судна, автомобиля или локомотива. Однако, наиболее близкими по компоновке, составу и виду системы являются энергоустановки речных теплоходов и железнодорожных тепловозов. Так, на ледоколах типа "Дон", портовых рейдовых буксирах-толкачах типа "Шлюзовой", пассажирских дизель-электроходах типа "Советский Союз" и "Россия", землесосных снарядах проекта П2104, энергоустановки аналогичны дизель-электрической системе тепловозов ЧМЭЗ, 2ТЭ10В и др. Более того, на значительном количестве речных теплоходов устанавливаются двигатели внутреннего сгорания (ДВС) производства ЧССР [36,78,100]. Такие же ДВС эксплуатируются на тепловозах ЧМЭЗ [70]. Следовательно, в качестве базы исследований указанные теплоходы и тепловозы можно считать равноценными. Но у тепловоза, как базы проведения исследования, оказалось существенное преимущество перед теплоходом. Сразу же после выхода судна из затона оно включается в состав рабочего флота. Место дислокации его не остается постоянным, горячий отстой не отличается определенностью, холодное время эксплуатации короче чем у тепловозов. Решающим же в выборе тепловоза в качестве базы исследований явилось полное согласование самого характера горячего отстоя тепловоза с содержанием и возможностями проведения исследований. Тепловоз выводился в горячий отстой, как правило, в ночное время и предоставляется в полное распоряжение исследователя. Нередко тепловозы находятся в горячем отстое и в дневное время. Условия проведения исследований при этом сохраняются. Оставаясь на позиции актуальности проблемы обогрева энергоустановки для всех видов транспорта, возможности использования результатов исследования на тепловозе для последующего внедрения на теплоходе, в диссертации в качестве базы натурных исследований и опытного внедрения избран тепловоз серии ЧМЭЗ. Электростартерная система пуска ДВС свойственна многим энергоустановкам транспортных средств, поэтому исследования стартерного электропривода и их результаты в равной мере оказываются полезными для использования как на тепловозах, так и на теплоходах и автомобилях. 4.2. Идентификация тепловых параметров ВС энергоустановки
