СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ДИЗЕЛЕЙ 5Д49 И Д500

Основой автономного локомотива любого типа является его локомотивная энергетическая установка. В настоящее время наиболее распространенным типом автономных локомотивов на железных дорогах России являются тепловозы. Локомотивная энергетическая установка представляет собой высокоэффективный дизельный двигатель внутреннего сгорания, преобразующий внутреннюю химическую энергию жидкого топлива в механическую работу.

Создание надежного и экономичного двигателя внутреннего сгорания – дизель – представляет собой сложную проблему в производственном конструкторско-технологическом процессе, особенно в связи с ростом мощности двигателя на единицу объема и веса при одновременном повышении надежности, ресурсоемкости, экономичности и снижении трудоемкости его изготовления и обслуживания. Создание однотипных двигателей внутреннего сгорания с достаточно с широким диапазоном выдвигает необходимость высокой модернизации или создания новых моделей дизелей.

В последние годы за рубежом поэтапно ужесточаются требования к эмиссии вредных веществ в отработавших газах тепловозных дизелей. Директивами Европейского международного союза железных дорог (членом которого является Россия) предусмотрено ужесточение ограничений на вредные выбросы дизелями железнодорожного транспорта. Эти ограничения подлежат учету российскими стандартами по экологии, что потребует принятия мер по обеспечению соответствия дизелей требованиям по экологической безопасности.

Только за последние несколько лет была создана серия новых модификаций дизель - генераторов для модернизации устаревшего тепловозного парка со снижением расходов топлива на 12 – 25%, масла – в 2,5 раза и увеличением ресурса на 30%.

Тенденция мирового развития тепловозного дизелестроения последних десятилетий показывает, что усовершенствованные двигатели нового поколения для магистральных тепловозов должны отвечать высоким техническим и эксплуатационным требованиям.

Универсальный дизель-генератор с дизелем нового поколения типа Д500, размерности ЧН26,5/31 создан на замену двигателей типа 5Д49. В конструкторском облике этого двигателя сохранены лучшие технические решения двигателя 5Д49, реализованы новейшие достижения мирового двигателестроения, применены самые современные материалы, химико-термические методы упрочнения деталей.

Двигатель типа Д500 сконструирован таким образом, что вся инфраструктура депо, применяющаяся для двигателя 5Д49, не требует изменений. Она с успехом может быть использована для обслуживания, в том числе, и двигателя типа Д500. Таким образом, внедрение нового двигателя не требует дополнительных затрат в эксплуатации.

Конструкторские решения, заложенные в двигателе, позволяют обеспечить современные технико-экономические показатели двигателя, соответствующие требованиям Заказчиков. Производителей таких двигателей в настоящее время в России нет.  

Рисунок 1. Современный дизельный двигатель типа Д500

По сравнению с конструкцией дизелей 5Д49 в Д500 существенно улучшены условия работы поршневой группы за счет применения новой силовой схемы с моноблочной опирающейся на блок безрубашечной втулкой.

По сравнению с двигателями 5Д49 упрощено устройство привода распределительного вала, исключены мультипликаторы приводов стартера генератора и возбудителя, оптимизирована кинематика поршня и прицепного шатуна. Система пуска предполагает два варианта — инверторный. С целью обеспечения конкурентоспособности экономических и экологических показателей двигатель форсирован по рабочему процессу путем увеличения максимального давления сгорания и организации вихревого движения топливовоздушной смеси.        

Этому также способствует использование двух параллельно работающих высокоэффективных турбокомпрессоров фирмы АВВ (Швейцария) и системы питания импульсного действия с электронным управлением, что повышает способность к приему нагрузки в два раза и существенно увеличивает надежность

Двигатель имеет модульную конструкцию с применением самых современных материалов, с использованием термических, химико ­ термических обработок и методов упрочнения деталей.

Применены газоплотные поршни овальнобочкообразной формы с антифрикционным покрытием нового поколения, тонкостенные биметаллические подшипники с трехкомпонентным антифрикционным покрытием, которое обеспечивает повышенную несущую способность. Шейки коленчатых валов азотированы и хонингованы с нанесением маслоудерживающей сетки. Крышки, втулки и блок цилиндров выполнены из специального высокопрочного легированного чугуна.

Увеличение рабочего объема цилиндра до 15 литров позволяет поднять агрегатную мощность двигателя при умеренной скорости поршня и форсировке по рабочему процессу, что обеспечивает увеличение ресурса до первой переборки и капитального ремонта.

Главное отличие двигателей нового поколения типа Д500 заключается в применении инновационных научно-технических решений таких как: модульная безрамная конструкция, поршневые кольца с несимметричным, бочкообразным сечением, металлокерамическим покрытием и заданной эпюрой радиального давления и др.

Степень повышения давления наддувочного воздуха организацией рабочего процесса по циклу Миллера позволило получить высокий термодинамический коэффициент полезного действия, и тем самым снизить эксплуатационный расход топлива при умеренной эмиссии вредных веществ (при их уровне Stage IIIA без системы внешней очистки и Stage IIIB с трехступенчатой системой очистки).

Двигатель нового поколения в отличие от дизельного двигателя 5Д49 отличает наличие цифровых систем, обеспечивающих гибкое управление топливоподачей, воздухоснабжением, контроль важнейших параметров силовой установки и защиту от аварийных ситуаций.

В ходе проектирования впервые разработаны и реализованы следующие научно-технические задачи:

а) запатентован нерезонансный метод испытаний коленчатых валов на многоцикловую усталость;

б) метод моделирования цилиндрового комплекта при одновременном воздействии температурных, монтажных и рабочих напряжений;

в) метод моделирования поведения масла в камере охлаждения поршня с оптимизацией количества масла в камере

г) метод расчета температурных полей в масляном клине подшипников скольжения. Проведенный анализ с внедрением дополнительных методов, эмиссия основных токсичных компонентов отработавших газов дизеля Д500 уменьшается почти на 20%, в сравнение с дизельным двигателем типа 5Д49.

Снижение эмиссии вредных окиси углерода (СО) на 13%, а дымности – на 19%, обеспечилось уменьшением эффективного проходного сечения распылителей топливных форсунок (сопла диаметром 0,35 мм вместо 0,4 мм) при сохранении прежнего экономичного удельного расхода топлива.     

Дополнительное охлаждение заряда рабочей камеры цилиндра и повышение наддува позволило уменьшить максимальную температуру цикла примерно на 30 °С, что способствовало снижению эмиссии окиси азота (NOх) на 12 %, а эмиссии углеводородов (CH) – на 9 %.

Эффективный метод снижения аэродинамического шума дизелей – установка глушителей на впуске и выпуске.  На дизелях нового поколения типа Д500 устанавливается глушитель турбокомпрессора фирмы ABB, снижающий общий уровень шума на 15 дБ в наиболее неблагоприятной зоне для обслуживающего персонала с частотами 500 – 7000 Гц.

Установка дизеля на виброизолирующих устройствах, применение виброизолирующих конструкций уменьшают вибрации на 30 дБ и шум дизеля на 6 – 7 дБ.

Уровень шума и вибраций у дизелей нового поколения типа Д500 снижается на 10 – 15 %, что обеспечивает комфорт обслуживающего персонала, в отличии от дизелей типа 5Д49.

Список литературы:

1. Дорофеев В.М. Тепловозные дизели семейства Д49. Конструкция, техническое обслуживание, ремонт: учеб. пособие. / В.М. Дорофеев. — М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2016
2. Д500: современные технологии и уникальные традиции. Выпуск №39: Журнал для партнеров ЗАО «Трансмашхолдинг». – М.: ИД Медиалайн, 2016 г 
3. Мы создали дизельные двигатели нового поколения. Выпуск №23: журнал для партнеров ЗАО «Трансмашхолдинг». – М.: ИД Медиалайн, 2016