Підвищення енергетичної ефективності тепловоза активацією робочих середовищ

Размещено на http://www.allbest.ru/

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Спеціальність 05.22.07 - рухомий склад залізниць і тяга поїздів

УДК 621.43.057:629.424

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ ТЕПЛОВОЗА АКТИВАЦІЄЮ РОБОЧИХ СЕРЕДОВИЩ

Ноженко Олена

Сергіївна

Луганськ, 2010

Дисертація є рукопис

Робота виконана на кафедрі залізничного транспорту Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля, Міністерство освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки України Голубенко Олександр Леонідович, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, ректор.

Офіційні опоненти : доктор технічних наук, професор, Тартаковський Едуард Давидович, Українська державна академія залізничного транспорту, завідувач кафедрою «Експлуатація і ремонт рухомого складу» кандидат технічних наук, доцент

Черняк Юрій Васильович, Державний економіко-технологічний університет транспорту, доцент кафедри «Тяговий рухомий склад залізниць»

Захист відбудеться «22» грудня 2010 р. у 1000 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 29.051.03 при Східноукраїнському національному університеті імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а, СНУ ім. В. Даля, зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в науковій бібліотеці Східноукраїнського національного університету імені Володимира Даля за адресою: 91034, м. Луганськ, кв. Молодіжний, 20а.

Автореферат розісланий: «____» ________________ 2010 р.

В.о. вченого секретаря спеціалізованої вченої ради П.Л. Носко

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Вступ. Стійкою тенденцією розвитку і вдосконалення залізничного транспорту є впровадження комплексу заходів, направлених на раціональне й економічне використання енергетичних ресурсів тепловоза. Реалізація програм ресурсозбереження - головного джерела економії експлуатаційних витрат і підвищення фінансово-економічних показників функціонування залізничного транспорту, особливо актуальна на тлі виходу економіки України з економічної кризи.

Актуальність теми. Залізничний транспорт України внаслідок виконання своїх функцій переміщення вантажів і пасажирів є енергоємною галуззю економіки. Здійснюючи основний обсяг перевезень, він є одним з найбільших споживачів енергоресурсів. Частка вартості енергоносіїв в собівартості перевезень Укрзалізницi (УЗ) складає 18,2%, при цьому електроенергія - 8,1%; дизельне паливо - 9,4%, газ - 0,3%. У такому випадку, одним з чинників підвищення конкурентоспроможності УЗ на ринку транспортних послуг є зниження енергоємності перевезень.

Аналіз досліджень показав, що традиційні шляхи підвищення енергетичної ефективності силової установки тепловоза вичерпали себе і потрібні альтернативні способи та методи впливу на процеси, що відбуваються в ній, а також недостатньо уваги приділено раціональному використанню енергії електродинамічного гальмування, яка розсіюється в атмосферу. Так, наприклад, рекуперація енергії електровозами в процесі гальмування складає 1,7% від загальних витрат УЗ (2004 р.).

Важливість теми підтверджується нормативними документами, що діють на Україні: положеннями «Комплексної державної програми енергозбереження», Програмою енергозбереження на залізничному транспорті на 1996-2010 рр., Законом України «Про енергозбереження», Указом Президента України №603/2000 від 20 квітня 2000 року «Про стан залізничного транспорту України і міри для забезпечення його ефективного функціонування» та ін.

У зв'язку з цим, дослідження і розробка технічних рішень з підвищення енергетичної ефективності на тепловозі за рахунок підвищення паливної економічності шляхом активації робочих середовищ (палива, мастила) і раціонального використання енергії електродинамічного гальмування є актуальним науковим завданням.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана відповідно до «Концепції і програми реструктуризації на залізничному транспорті України на 1998-2008 рр., положень "Національної енергетичної програми", Наказу УЗ №41-ЦЗ від 17.02.2003 р. «Про приймання додаткових заходів по забезпеченню збереження нафтопродуктів в локомотивному господарстві» і багатьох інших нормативних документів УЗ.

Дана робота є одним із компонентів системного підходу до вирішення проблеми підвищення енергетичної ефективності тепловоза в рамках цільової комплексної програми з економії і підвищення ефективності використання паливно-енергетичних ресурсів у народному господарстві.

Обраний напрям досліджень пов'язаний з планом виконання науково-дослідної роботи в Східноукраїнському національному університеті імені Владимира Даля. Основні результати роботи отримані в результаті досліджень, які проводилися в ході виконання держбюджетних тем ДН29-06 (№ держ. реєстрації 0106U000289), ДН29-09 (№ держ. реєстрації 0109U000081), ДН34-10 (№ держ. реєстрації 0110U002098).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є підвищення енергетичної ефективності тепловоза за рахунок поліпшення паливної економічності шляхом активації палива і раціонального використання енергії електродинамічного гальмування.

Для досягнення мети були визначені наступні завдання:

- виконати аналіз напрямків підвищення енергетичної ефективності тепловоза, запропонувати метод, що забезпечує використання енергії електродинамічного гальмування і підвищення паливної економічності;

- виконати теоретичні дослідження функціонування системи електродинамічного гальма тепловоза з урахуванням використання енергії гальмування на озонування палива;

- дослідити вплив процесу активації палива озоном на робочий процес в енергетичному обладнанні тепловоза;

- експериментально дослідити вплив озонування на фізико-кінетичні властивості палива і техніко-економічні показники енергетичної установки;

- розробити рекомендації і пропозиції щодо вдосконалення системи використання енергії електродинамічного гальмування тепловоза для активації палива з метою підвищення його енергетичної ефективності, оцінити очікуваний економічний ефект.

Об'єктом дослідження є процес перетворення енергії в силовому і енергетичному обладнанні тепловоза.

Предметом дослідження є закономірності впливу процесу активації робочого середовища озоном, що забезпечується за рахунок використання енергії електродинамічного гальмування, на енергетичні показники роботи тепловоза.

Методи дослідження. Завдання вирішувалися за допомогою системного аналізу, що включає математичне моделювання досліджуваних процесів з використанням диференціальних рівнянь і чисельних методів їх інтегрування, методів планування експерименту, математичної статистики і теорії вірогідності з використанням основних положень теорії тяги поїздів.

Наукова новизна отриманих результатів:

- вперше запропоновано метод використання енергії електродинамічного гальмування тепловоза для активації робочих середовищ, що дозволить підвищити його енергетичну ефективність;

- вперше отримані емпіричні залежності зміни фізико-кінетичних властивостей дизельного палива (густини, в'язкості, «умовної» енергії активації передполум'яних реакцій) в результаті озонування від концентрації озону, що подається у паливо, і часу його зберігання для визначення економічних та екологічних характеристик роботи силової енергетичної установки тепловоза;

- встановлені межі допустимих значень концентрації озону, що подається у паливо, і часу його зберігання відповідно до рівня економічних та екологічних параметрів роботи енергетичної установки, шляхом врахування залежності зміни «умовної» енергії активації передполум'яних реакцій дизельного палива під час озонування в математичній моделі робочого процесу енергетичної установки тепловоза;

- отримала подальший розвиток математична модель електродинамічного гальмування тепловоза, що базується на взаємозв'язку енергетичного балансу тягового електродвигуна і умов руху поїзда з опором озонатора, що дозволяє встановити резерв використання енергії гальмування для активації робочих середовищ.

Практичне значення отриманих результатів:

- результати теоретичних і експериментальних досліджень впливу озонування на параметри палива і робочий процес енергетичної установки дозволили визначити межі допустимих значень величини концентрації озону, що подається у паливо, і часу його зберігання, що сприяє вибору раціональних конструктивних параметрів при проектуванні і модернізації допоміжних систем дизеля тепловоза;

- створений експериментальний комплекс, що дозволяє отримувати озон і активувати їм паливо, є інструментом для вивчення можливостей використання принципів озонування під час активації палива, змащувальних матеріалів і повітряного середовища різних систем тепловоза при створенні нової техніки;

- розроблена методика визначення «умовної» енергії активації передполум'яних реакцій палива, що відрізняється від існуючої обліком теорії теплового вибуху на базі методики визначення температури спалаху палива в закритому тиглі, дозволяє мінімізувати витрати часових і матеріальних ресурсів на проведення експериментальних досліджень для визначення кінетичних властивостей палива під час його активації, які використовуються для моделювання робочого процесу енергетичної установки при розробці заходів щодо її вдосконалення;

- запропоновано нові технічні рішення для вдосконалення вузлів тепловоза, на які отримані патенти України (паливна система - № 48104 № 37423 № 82016 № 83556, система змащування гребенів коліс - № 46425 № 48482 № 48484 № 52325 № 90941; спосіб зниження токсичності відпрацьованих газів - № 31826);

- теоретичні положення, математичні моделі, методики і алгоритми знайшли практичне застосування і використовуються у ВАТ «ХК «Луганськтепловоз» для розробки, створення і експериментальних досліджень нової техніки - для вдосконалення системи електродинамічного гальмування, вузлів паливної системи і гребнезмащувача тепловоза;

- отримані наукові результати використовуються у навчальному процесі на кафедрі залізничного транспорту СНУ ім. В. Даля для студентів спеціальності 100501 - «Рухомий склад і спеціальна техніка залізничного транспорту».

Особистий внесок здобувача. Основні положення та результати дисертаційної роботи отримані автором самостійно. Крім цього, в публікаціях, в яких відображено основні результати дисертації та які написані у співавторстві, здобувача належать:

- обґрунтована необхідність раціонального використання енергії електродинамічного гальмування та запропоновано метод використання енергії електродинамічного гальмування тепловоза на активацію робочих середовищ [1, 6, 8, 11];

- обґрунтовані передумови впливу озонування на протікання передполум'яних реакцій у паливі та на протікання всього процесу в циліндрі дизеля [2, 7, 10, 13];

- розроблена методика експериментальних досліджень для отримання озону [4];

- отримано результати стендових випробувань з виявлення впливу озонування на економічні і екологічні показники дизеля [3, 5],

- отримано експериментальні залежності впливу озонування на фізико-кінетичні властивості палива [9, 12];

- результати моделювання робочого процесу дизеля тепловоза з урахуванням озонування палива [14];

- розроблено та вдосконалено паливну систему тепловозного дизеля, конструкцію гребнезмащувача тепловоза, запропоновано спосіб зниження токсичності відпрацьованих газів [15 - 17].

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати дисертації доповідалися на 69 - 71-й науково-технічних конференціях «Рухомий склад і спеціальна техніка транспорту» (УкрДАЗТ, Харків, 2007 - 2009 рр.), XVII - XX міжнародних науково-технічних конференціях «Проблемы развития рельсового транспорта» (Крим, 2007 - 2010 рр.), 18th International сonference „Current рroblems in rail vehicles - PRORAIL 2007“ (Ћilina, Slovakia, 2007), V Всеросійській науково-технічній конференції «Политранспортные системы» (СФУ, Красноярськ, Росія, 2007); I та II Міжнародних науково-практичних конференціях молодих учених і студентів «Підвищення ефективності використання водних, теплових і енергетичних ресурсів і озорона навколишнього середовища» (КНУБіА, Київ, 2008 - 2009 рр.); II Міжнародній науково-практичній конференції «Економічні, екологічні та соціальні проблеми вугільних регіонів СНД» (СНУ ім. В. Даля, Краснодон, 2008); VIII науковій конференції «Telematics, logistics and transport safety» (Катовіце - Чешин, Польша, 2008 р.), V Міжнародній науково-технічній конференції «Проблемы автомобильно-дорожного комплекса России» (АДИ ПГУАС, Пенза, Росія, 2008 р.), VIII Міжнародній науковій конференції «Трибология и надежность» (ПГУПС, Санкт-Петербург, Росія, 2008 р.), VII - VIII міжнародній конференції «Наука - образованию, производству, экономике» (БНТУ, Мінськ, Белорусія, 2009 - 2010 рр.), ХV Науково-технічній конференції з міжнародною участю «Транспорт, экология - устойчивое развитие» (ТУ, Варна, Болгарія, 2009 р.), XII - XIII міжнародних науково-технічних конференціях «Автомобильный транспорт: проблемы и перспективы» (СНУ ім. В. Даля, Севастополь, 2009 - 2010), науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу й наукових співробітників СНУ ім. В. Даля (2008 - 2010 рр.).

Публікації. Основні результати дисертаційних досліджень опубліковані в 13 наукових роботах, що входять в затверджений ВАК України список спеціалізованих наукових видань, і 2 патентах України на корисні моделі і винаходи.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел і додатків й містить 204 сторінки машинописного тексту, у тому числі: 168 сторінок основного тексту, 20 сторінок списку використаних літературних джерел (197 найменувань), 65 рисунків на 36 сторінках, 20 таблиць на 9 сторінках, 12 додатків на 15 сторінках.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі подана загальна характеристика роботи, визначені цілі і завдання дослідження, показана актуальність теми, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.

Перший розділ присвячений аналізу шляхів підвищення енергетичної ефективності тепловоза, значний внесок у який внесли роботи Володіна О.І., Голубенка О.Л., Зайончковського В.М., Звонова В.О., Коссова Є.Є., Крайнюка О.І., Марченко А.П., Могили В.І., Сімсона О.Е., Тартаковського Е.Д., Хоміча А.З., Черняка Ю.В. Фуфрянського Г.А. і інших дослідників.

Аналіз методів і способів підвищення паливної економічності тепловоза показав шляхи вдосконалення процесів паливопідготовки, зокрема, фізичним і хімічним впливом на паливо. Запропонована активація палива шляхом озонування. Показана доцільність використання енергії електродинамічного гальмування для отримання озону з подальшим озонуванням палива.

У другому розділі дисертації запропонована схема і побудована математична модель електродинамічного гальмування з системою відбору потужності для отримання озону на основі системи рівнянь руху поїзда в питомій формі і електричної рівноваги тягового електродвигуна, що працює в генераторному режимі з урахуванням опору доданої системи озонування як залежності від концентрації озону і витрати повітря через озонатор:

де - коефіцієнт інерції мас, що обертаються; g - прискорення вільного падіння, м/с2; w0 - основний питомий опір руху; b - питома гальмівна сила; i - величина ухилу, Се - електрична постійна тягового електродвигуна, В·с/об; - передавальне число зубчастої передачі тягового електродвигуна; DK - діаметр колеса, м; Ф - магнітний потік обмотки збудження тягового електродвигуна, Вб; RТД - опір обмотки якоря і додаткових полюсів; RТ - опір резисторів, Ом; Rо - опір системи озонування, Ом; iT - миттєве значення гальмівного струму, А; L - індуктивність якірної обмотки, Гн; Р - активна потужність озонатора, Вт; v - витрата повітря через озонатор, л/год; - концентрація озону, що виробляється озонатором, г/год; М - молекулярна маса озона; k1, k0 - константи утворення і розкладання озону, л·Вт/год; Uг - напруга в розрядному проміжку озонатора, В.

Початкові умови для системи диференційних рівнянь (1): при tT = 0; ; . У результаті аналітичного рішення системи (1) отримані залежності потужності, що виробляється, під час роботи ТЕД у генераторному режимі від швидкості руху, Е/n, гальмівного струму і параметрів озонатора:

,

,

де ; ;

, - коефіцієнти апроксимації кривої опору руху поїзда; Cm - магнітна постійна тягового двигуна, В·с/рад; з - ККД зубчастої передачі; m - маса потяга, кг.

Проведений чисельний експеримент показав, що потужність, що виробляється при електродинамічному гальмуванні залежить від ухилу, швидкості руху і маси составу. Практично за будь-яких умов руху вона складає не менше 100 кВт, що дозволяє використовувати дану величину для отримання озону, використовуючи для цих цілей лише енергію гальмування без необхідності пошуку інших джерел живлення озонатора на тепловозі.

В основі механізму впливу озону на робочий процес у силовій енергетичній установці тепловоза лежить зміна хімічної структури дизельного палива. З метою виявлення причин і залежностей, що здійснюють вплив на неї, на основі досліджень С.Д. Разумовського і Г.А. Галстяна встановлено, що озон реагуватиме з ароматичними вуглеводнями за схемою:

,

причому переважає напрям 2 (4), внаслідок чого утворюються перекисні сполуки. Це підтвердилося наявністю осаду кислого характеру під час тривалого озонування дизельного палива при експериментальних дослідженнях. Таким чином, визначено, що отримані з'єднання утворюються атакою алкільного замісника по радикальному механізму (кетони, спирти, перекиси і кислоти).

З урахуванням механізмів можливих реакцій озону з дизельним паливом, щодо теорії М.М. Семенова, передполум'яні реакції проходять іншим чином. На першому етапі ланцюгового окислення вуглеводнів у об'ємі суміші вже присутні гідроперекиси і разом з утворенням їх відбувається одночасно і розкладання, внаслідок чого відбувається інтенсивніше і «раніше» розігрівання суміші і прискорення протікаючих реакцій, утворення більшої кількості активних часток. Цей процес зменшує тривалість протікання передполум'яних реакцій, отже, період запізнювання самозаймання, який, згідно закону Ареніуса і залежності О.І. Толстова, залежить від хімічної структури суміші, вплив якої визначає її енергія активації. Знаходження її теоретичним способом неможливе через безліч елементарних стадій протікаючих передполум'яних реакцій. У зв'язку з цим, було поставлено завдання експериментального визначення рівня енергії активації для озонованого дизельного палива.

Вплив додавання озону, введеного до камери згоряння, на показники робочого процесу дизеля з погляду якісних змін динаміки активного тепловиділення спрогнозовано на основі моделі сумішоутворення і згорання проф. М.Ф. Разлейцева, модифікованою під озоноване паливо. Модель враховує процес подачі палива, його випаровування, дифузію і хімічні перетворення і фізико-кінетичні характеристики палива. Перехід від активного тепловиділення до техніко-економічних показників роботи дизеля здійснювався використанням нульмірної моделі робочого процесу. Модель базується на звичайних диференціальних рівняннях збереження енергії, кількості руху і маси. Для підтвердження отриманих теоретичних результатів у роботі виконано експериментальні дослідження.

У третьому розділі описана експериментальна база і методика для проведення досліджень, направлених на виявлення залежностей і закономірностей впливу озонованого палива на робочі параметри дизельного двигуна. З метою реалізації даних методик розроблена експериментальна установка, яка складається з дизеля 6Ч13/14, обладнаного вимірювальним комплексом для визначення ефективних, паливно-економічних і екологічних показників і розробленою автором установкою для озонування палива (рис. 1, 2).

Створений експериментальний комплекс дозволяє вивчати принципи озонування повітряного середовища і змащувальних матеріалів різних систем тепловоза для створенні нової техніки.

Для визначення енергії активації палива була розроблена методика, що відрізняється від існуючої врахуванням теорії теплового вибуху М.М. Семенова та методики для визначення температури спалаху палива, в якій реактор дообладнано термопарами, які фіксують температуру пари і температуру стінок. З урахуванням наявності палива в рідкій фазі та форми реактора (тигля), під час складання теплового балансу по М.М. Семенову, залежність для визначення енергії активації має вигляд:

,

де , - температура пари палива до настання реакції окислення і в момент займання, відповідно; , - температура стінок реактора до настання реакції окислення і в момент займання, відповідно; , - температура рідкого палива до настання реакції окислення і у момент займання, відповідно.

За результатами експериментальних досліджень впливу озонування на фізико-кінетичні властивості палива були отримані емпіричні залежності впливу концентрації озону, що додається у паливо, (у межах 0,125 -1 г/л) і часу зберігання (у межах 0,5 - 5 год) на густину при 20 0С, динамічну в'язкість і енергію активації :

;

;

,

де , , - початкові значення величин густини, динамічної в'язкості, енергії активації відповідно

Експериментально досліджувалися паливно-економічні і екологічні показники дизеля на номінальному режимі під час роботи на озонованому паливі з концентрацією озону, що подається у паливо, = 0,125 г/л і часом зберігання = 0,5 год. За результатами стендових випробувань дизельного двигуна 6Ч13/14 під час роботи на озонованому паливі виявлено зниження питомої ефективної витрати палива на 4,1%, димності на 17%. Експериментальні дослідження проводилися на базі кафедр залізничного транспорту і двигунів внутрішнього згорання СНУ ім. В. Даля, кафедри «Технологія палив і органічних сполук» Технологічного інституту СНУ ім. В. Даля, ЗАТ «Ліник» (м. Лісичанськ), лабораторії теплотехнічних і аеродинамічних випробувань ВАТ «ХК «Луганськтепловоз».

За результатами експериментальних досліджень перевірялася адекватність математичної моделі, похибка склала 6 - 8%.

У четвертому розділі на основі нульмірної моделі робочого процесу, що враховує вплив фізико-кінетичних властивостей палива, уточнено межі допустимих значень параметрів озонування ( і ) відповідно до рівня економічних і екологічних показників енергетичної установки (рис. 3), які складають = 0,1 … 1 г/л; = 0 … 1,3 год. Перевищуючи встановлені межі, спостерігається погіршення характеристик роботи дизеля (рис.3). Це пов'язане з хімічними перетвореннями в паливі.

Параметри роботи дизель-генератора 18-9ДГ (16ЧН26/26) на номінальному режимі під час роботи на дизельному паливі (ДТ) і на озонованому дизельному паливі (ДТ+О3) залежно від концентрації озону, що подається в паливо, і часу зберігання озонованого палива

Найбільший ефект від озонування спостерігається при =0,5 год і = 0,125 г/л, при яких в результаті моделювання робочого процесу силової енергетичної установки 16ЧН26/26 тепловоза 2ТЭ116У на номінальному режимі встановлено (табл. 1, рис. 4 - 5):

- при штатному налаштуванні паливної апаратури озонуванням палива питома ефективна витрата знижується на 0,72%, димність на 11,1%, потужність підвищується на 0,6%;

- при відрегульованому куті випередження вприскування палива до 4 град. о.к.в. отримано зниження питомої ефективної витрати палива на 1,2%, димності на 8%, потужність підвищується на 0,9%.

Таблиця 1 Результати моделювання процесу згорання в циліндрах дизеля 16ЧН26/26 тепловоза 2ТЭ116У

Параметри	Кут випередження вприскування палива, град о.к.в.
	4	4	14	14
Паливо	ДТ	ДТ+О3	ДТ	ДТ+О3
Потужність, кВт	2512,6	2537,2	2589,8	2613,3
Питома ефективна витрата палива, г/кВт ч	0,21587	0,21335	0.20944	0,20797
Емісія диму за шкалою Воsh	1,1228	1,03298	0,5072	0,4509
Середній індикаторний тиск, МПа	1,5187	1,5307	1,4071	1,4170
Максимальний тиск циклу, МПа	8,9479	9,4691	11,742	12,686
Період затримки займання, град. о.к.в.	4,4954	0,97366	5,813	1,3328

Характеристика тепловиділення дизеля 16ЧН26/26 тепловоза 2ТЭ116У при куті випередження вприскування палива 14 град. о.к.в. (1) і при куті випередження вприскування палива 4 град. о.к.в. (2) при роботі на ДТ (--)і на ДТ+О3 (- -) гальмування тепловоз дизельний озонування

Аналіз результатів моделювання показує, що визначальний вплив на енергетичні і екологічні характеристики силової установки озонуванням має величина «умовної» енергії активації передполум'яних реакцій Еа., зменшення якої досягає 30%. Це скорочує період затримки самозаймання, збільшує швидкість концентрації активних центрів, призводить до інтенсивнішого активного тепловиділення (див. рис. 4), і, зрештою, до підвищення середнього індикаторного тиску, як видно з рис. 5, поліпшенню показників роботи енергетичної установки.

Зменшення періоду затримки самозаймання в середньому на 60% (рис. 6) та підвищенню внаслідок цього максимального тиску згоряння (рис. 7). Максимальний ефект від використання озонованого палива досягається на 11 позицій контролера машиніста, де зниження питомої ефективної витрати палива досягає 2,5% (рис. 9), димності - 20% (рис. 8).

Економічний ефект від озонування палива за рахунок підвищення паливної економічності складає 116,4 тис. грн. в рік на секцію (у цінах за станом на 01.02.2010 р.).

З метою підвищення енергетичної ефективності тепловоза розроблені рекомендації і технічні рішення для раціонального використання системи електродинамічного гальмування тепловоза на озонування палива, що базуються на дослідженнях автора, і мастила, що базуються на аналізі апріорної інформації - для зниження витрати палива і токсичності відпрацьованих газів, зменшення тертя і зносу в контакті «гребінь колеса - рейка».

На основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень вдосконалена паливна система енергетичної установки для тепловоза типу 2ТЭ116, розраховані основні параметри озонатора, пристрою для змішування озону з паливом.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі отримані нові наукові положення з вирішення актуального завдання підвищення енергетичної ефективності тепловоза, що досягається шляхом активації палива, яка забезпечується використанням енергії електродинамічного гальмування та дозволяє підвищити паливну економічність і поліпшити екологічні показники тепловоза. Складність раціонального використання енергії електродинамічного гальмування на тепловозі і залежність її величини від ряду чинників призвели до необхідності використання комплексного підходу до вирішення даної задачі. Використані теоретичні передумови активації палива озоном, уточнені математичні моделі, експериментально досліджено вплив озону на фізико-кінетичні властивості дизельного палива і параметри енергетичної установки дозволили обґрунтувати перспективність озонування палива і використання енергії електродинамічного гальмування на допоміжні потреби тепловоза. Виконані в роботі дослідження дозволяють зробити наступні виводи і пропозиції:

1. Аналіз підвищення енергетичної ефективності тепловозів показав доцільність раціонального використання енергії електродинамічного гальмування тепловоза. Встановлено, що частка енергії, що повертається у контактну мережу електровозами складає 5 - 8 % і зростає з кожним роком, причому станом на 01.01.2004 р. рекуперація енергії електровозами складала еквівалент 1,7% загальних витрат по УЗ. Запропоновано підвищення енергетичної ефективності тепловоза за рахунок поліпшення його паливної економічності шляхом активації робочих середовищ (палива і мастила), що забезпечується використанням енергії електродинамічного гальмування.

2. Теоретичні дослідження електродинамічного гальмування тепловоза з урахуванням параметрів системи активації палива озоном, енергетичного балансу тягового електродвигуна і умов руху поїзда дозволили кількісно оцінити резерв потужності електродинамічного гальмування, яка нераціонально використовується. Встановлено, що її величина, необхідна для забезпечення найбільш раціональної роботи озонатора, складає 100 кВт. Це досягається за мінімально необхідних умов спрацьовування системи електродинамічного гальмування.

3. Обґрунтовані передумови впливу озонування палива на величину «умовної» енергії активації передполум'яних реакцій в паливі. Це характеризує зміни процесів, які протікають за період затримки самозаймання.

4. Розроблена методика визначення «умовної» енергії активації палива обліком теорії теплового вибуху на базі методики визначення температури спалаху в закритому тиглі, що дозволяє мінімізувати витрати часових і матеріальних ресурсів на проведення експериментальних досліджень. Розроблений експериментальний комплекс з виявлення впливу озонування на параметри палива і показники роботи дизеля дозволив отримати емпіричні залежності зміни фізико-кінетичних властивостей палива від концентрації озону, що подається в паливо і часу зберігання такого палива : густина палива , в'язкість палива і енергія активації . Експериментальний комплекс може бути використаний для вивчення можливостей використання принципів озонування при активації палива, змащувальних матеріалів і повітряного середовища різних систем тепловоза при створенні нової техніки.

5. Експериментально встановлено вплив кількості озону в паливі і часу зберігання цього палива на економічні і екологічні показники роботи дизеля - витрата палива і димність відпрацьованих газах. Озонування палива на номінальному режимі роботи дизеля 6Ч13/14 стендової установки при концентрації озону, що подається в паливо =0,125 г/л і часу зберігання =0,5 год призводить до зниження витрати палива на 4,1%. Похибка за результатами математичного моделювання для дизеля 6Ч13/14 склала 6 - 8%.

6. Встановлені допустимі межі параметрів озонування, перевищуючи які ефект від озонування приводить до погіршення параметрів роботи енергетичної установки, які складають = 0,5…1,3 год, =0,1…1 г/л. Вони сприяють вибору раціональних конструктивних параметрів при проектуванні і модернізації допоміжних систем дизеля тепловоза. Найбільш раціональними параметрами озонування є =0,125 г/л і =0,5год, при яких на номінальній позиції контролера машиніста тепловоза 2ТЭ116У (дизель-генератор 18-9ДГ) питома ефективна витрата палива знижується на 0,72%, а димність - на 11,1%.

7. Встановлений резерв підвищення ефективності озонування палива за рахунок налаштування паливної апаратури, наприклад, при зміні кута випередження впорскування палива до 4 град. о.к.в. можливе зниження питомої ефективної витрати палива до 1,2%.

8. Моделювання роботи тепловозного дизеля 16ЧН26/26 тепловоза 2ТЭ116У у вантажному русі встановило, що середньоексплуатаційна витрата палива знижується на 1,6%, при концентрації озону, що подається у паливо, =0,125 г/л і часу зберігання =0,5 ч. Найбільший ефект спостерігається при роботі тепловоза на 11 позиції контролера машиніста; зниження витрати палива досягає 2,5%, димності - 20%.

9. Розроблені рекомендації і технічні рішення на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень з вдосконалення системи електродинамічного гальмування, оснащеної блоком для активації робочих середовищ (палива і мастила), вдосконаленої паливної системи локомотива, по конструкціях гребнезмащувачів, що реалізують передумови активації змащувального матеріалу, встановлені на основі апріорної інформації.

10. Мінімальний очікуваний економічний ефект від використання системи використання енергії гальмування тепловоза на озонування палива за рахунок поліпшення паливної економічності складає 116,4 тис. грн. в рік на секцію.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ АВТОРОМ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Golubenko A. Energy of diesel locomotive's electrodynamiс braking for increase of efficiency of diesel locomotive engines / A. Golubenko, V. Mogila, H. Nozhenko // Сoll. of scientific labours. - Zilina, 2007. - Issue 69. - Р.

2. Голубенко А.Л. К вопросу интенсификации процесса сгорания в двигателе внутреннего сгорания / А.Л. Голубенко, Е.С. Ноженко, Ю.В. Калашникова // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2007. Ч. 1. - №8 (114). - С. 134 - 137.

3. Голубенко А.Л. Влияние озонирования на энерго-экологические показатели тепловозного дизеля / А.Л. Голубенко, Е.С. Ноженко, И.П. Васильев, О.Л. Игнатьев // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2008. Ч.1. - №5 (123). - С. 149 - 153.

4. Могила В.И. Анализ состояния энерго-экологической проблемы на транспорте и один из путей ее решения / В.И. Могила, О.Л. Игнатьев, Е.С. Ноженко, А.С. Клюев // «Локомотивинформ». - №7, июль, 2008. - С. 18 - 20.

5. Golubenko A. Ozonization influence on energy and ecological characteristics of locomotive diesel engine Golubenko A., Nozhenko E., Mogila V., Vasiljev I., Ignatjev O. // Int. Sci. J. “Тransport Рroblems”. - Gliwice, Volume 3, Issue 4, Part 2, 2008. - Р. 39 - 46.

6. Ноженко Е.С. Аналитическое обоснование эффективного использования бросовой энергии электродинамического торможения / Е.С. Ноженко, А.Л. Голубенко, В.И. Могила // Сб. науч. трудов УкрДАЗТ. - 2009. Вып.108. - С. 110 - 115.

7. Ноженко Е.С. Прогнозирование уровня энергии активации топлива на основе теории теплового взрыва / Е.С. Ноженко, А.Ю. Пилатов // Вісник Донецького інституту автомобільного транспорту. - Донецьк: ДІАТ, 2009. - №3. - С. 27 - 35.

8. Голубенко А.Л. Энергия электродинамического торможения локомотива как источник для активации топливовоздушной смеси дизеля озоном / А.Л. Голубенко, Е.С. Ноженко, В.И. Могила // Вестник ДИИТ им. ак. Лазаряна. - Днепропетровск: ДИИТ. - Вып. 30, 2009. - С. 120 - 124.

9. Голубенко А.Л. Влияние озонирования на физико-химические характеристики дизельного и биодизельного топлива / А.Л. Голубенко, Н.Ф. Тюпало, Е.С. Ноженко, И.П. Васильев, О.Л. Игнатьев // Локомотивинформ. - 2009. № 5 - 6, май-июнь. - С. 9 - 13.

10. Могила В.И. Кинетическое описание процесса горения озонированного топлива / В.И. Голубенко, Е.С. Ноженко, А.Ю. Пилатов // Весник ВНУ им. В.Даля. - 2009. №4 (134), ч.1. - С. 142 - 147.

11. Могила В.И. Способы утилизации энергии электродинамического торможения / В.И. Могила, Е.С. Ноженко // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010, №3 (145). - С. 237 - 243.

12. Могила В.И. Результаты экспериментальных исследований по влиянию озона на физико-кинетические свойства топлива / В.И. Могила, Е.С. Ноженко, А.Ю. Пилатов, О.Л. Игнатьев, В.Г. Лозовой // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010, №5 (147), ч.1. - С. 210 - 215.

13. Пилатов А.Ю. Теоретическое обоснование применения озона при организации управляемого процесса сгорания топлива в транспортных дизелях / А.Ю. Пилатов, Е.С. Ноженко // Вісник СНУ ім. В. Даля. - 2010, №6 (148). - С. 229 - 223.

14. Golubenko A. Theoretikal ground of influence of ozonization on working process of diesel / A. Golubenko, A. Kravchenko, H. Nozhenko // International congress of heavy vehicles, road trains and urban transport, 6 - 9 October 2010. - Minsk: BNTU, 2010. - P. 274 - 280.

15. Патент України №31826 на корисну модель. Спосіб зниження токсичності відпрацьованих газів / Ноженко О.С., Голубенко О.Л., Могила В.І., Горбунов М.І., Басов Г.Г., Кравченко О.П. - опубл. 25.04.2008р., бюл. №8.

16. Патент України №48104 на корисну модель. Система живлення тепловозного двигуна внутрішнього згоряння / Ноженко О.С., Могила В.І., Басов Г.Г., Кравченко О.П., Горбунов М.І., Щербіна Т.Ю. - опубл. 10.03.2010, бюл. № 5.

17. Патент України №90941 на винахід Пристрій для змащування гребенів коліс / Горбунов М.І., Могила В.І., Ноженко О.С., Кравченко К.О., Найш Н.М., Черніков В.Д. - опубл. 10.06.2010, бюл. № 11.

АНОТАЦІЯ

Ноженко О.С. Підвищення енергетичної ефективності тепловоза активацією робочих середовищ. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.22.07 - Рухомий склад залізниць і тяга поїздів, Східноукраїнський національний університет імені Володимира Даля, Луганськ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню енергетичної ефективності тепловоза за рахунок поліпшення паливної економічності шляхом активації робочих середовищ та раціонального використання енергії електродинамічного гальмування. Розроблений спосіб підвищення паливної економічності за рахунок активації палива, яка забезпечується використанням енергії гальмування, обґрунтований вплив умовної енергії активації озонованого палива. Отримані залежності зміни фізико-хімічних властивостей палива в результаті озонування від концентрації озону, що додається у паливо, і часу зберігання озонованого палива. Використання технології озонування палива дозволяє знизити димність на 11 %, середньоексплуатаційну витрату палива на 1,6%.

Ключові слова: тепловоз, електродинамічне гальмування, озонування палива, економічність, токсичність.

Ноженко Е.С. Повышение энергетической эффективности тепловоза активацией рабочих сред. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.07 - Подвижной состав железных дорог и тяга поездов, Восточноукраинский национальный университет имени Владимира Даля, Луганск, 2010.

Диссертационная работа посвящена повышению энергетической эффективности тепловоза за счет улучшения его топливной экономичности путем активации топливовоздушной среды и рационального использования энергии электродинамического торможения.

Анализ энергетической эффективности тепловоза показал резерв ее повышения за счет использования энергии электродинамического торможения тепловоза. Установлено, что исследования по ее рациональному использованию не нашли широкого применения на железнодорожном транспорте. Предложен способ улучшения топливной экономичности тепловоза путем активации топлива озоном, что обеспечивается использованием энергии электродинамического торможения.

Обоснованы предпосылки влияния озонирования топлива на величину «условной» энергии активации предпламенных реакций. Это характеризует изменение процессов, протекающих за время периода задержки самовоспламенения.

Получены экспериментальные зависимости изменения физико-кинетических свойств топлива (плотности, вязкости, «условной» энергии активации) в результате озонирования от концентрации озона, подаваемого в топливо, и времени хранения. Это позволило уточнить теоретическое описание рабочего процесса тепловозного дизеля при работе на озонированном топливе. Установлены границы допустимых значений концентрации озона, подаваемого в топливо, и времени его хранения по уровню экономических и экологических показателей энергетической установки.

По результатам исследований разработаны рекомендации и технические решения, позволяющие применять их на тепловозе, что позволяет снизить дымность на 12 - 17 %, среднеэксплуатационный расход топлива - на 1,6 %.

Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО “ХК “Лугансктепловоз” при проектировании перспективных и модернизации существующих конструкций тепловозов и дизель-поездов, что позволяет сократить объем, трудоемкость, стоимость опытно-конструкторских работ и повысить их эффективность.

Ключевые слова: тепловоз, электродинамическое торможение, озонирование топлива, экономичность, токсичность.

Nozhenko E.S. Increase of power efficiency of diesel locomotive by activating of operating environments. - Manuscript.

Thesis on awarding the Candidate Degree (Engineering) on speciality 05.22.07 - railway rolling stock and hauling operation, Volodymyr Dal East-Ukrainian National University, Lugansk, 2010.

The thesis of increase of power efficiency of diesel locomotive due to the improvement of fuel economy by activating of operating environments and rational use of electrodynamic braking energy is dedicated. The method of increase of fuel economy is developed due to activating of fuel, which is provided the use of braking energy, influence of «conditional» energy of activating of the ozonized fuel is developed. Dependences of change of physical and chemical properties of fuel as a result of ozonization from the concentration of ozone which is added to the fuel, and shelf-life the ozonized fuel are got. The use of technology of fuel ozonization allows to reduce black smoke on 11 %, middleoperating expense of fuel on 1,6%

Keywords: diesel locomotive, electrodynamic braking, ozonization of fuel, economy, toxicness.

Размещено на Allbest.ru

...