Дизель-генераторной установки

Лескин Андрей Николаевич, студент

специальность «Техническая эксплуатация

подвижного состава железных дорог»

руководитель Кошелева Светлана Геннадьевна, преподаватель

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Свердловской области «Качканарский горно-промышленный колледж»

Российская Федерация (Качканарский городской округ)

 

Железнодорожный транспорт – это отдельный вид транспорта, который выполняет перевозки пассажиров и грузов по рельсовым путям в вагонах при помощи локомотивной и (или) мотор-вагонной тяги.

На Качканарском горно-обогатительном комбинате (КГОК) электровозы и тепловозы играют большую роль в транспортировке грузов и маневровых работах. Именно с их помощью осуществляется большая часть перевозок горных масс. Управление горным железнодорожным транспортом (УГЖДТ) КГОКа осуществляет организацию промышленных перевозок внутри предприятия, карьеров и фабрик.

В КГОКе тепловозы распространены по всей сети железных дорог и выполняют около 100% маневровой работы и около 55% грузовых перевозок.

Цель работы: рассмотреть направления модернизации дизельного двигателя тепловоза.

Задачи:

1. Изучить существующие двигатели, использующиеся на подвижных составах.

2. Предложить альтернативный способ повышения КПД дизельного двигателя тепловоза.

Объект исследования: способы повышения эффективности грузоперевозок на железнодорожном транспорте.

Предмет исследования: дизель-генераторная установка.

Гипотеза: если установить на дизель-генераторную установку водородный генератор, то коэффициент полезного действия (КПД) двигателя увеличится и уменьшится токсичность выхлопных газов.

Метод исследования: теоретический.

Тепловоз - автономный локомотив, первичным двигателем которого является дизель.

Дизельный двигатель тепловоза преобразует химическую энергию сгорания жидкого топлива или горючего газа (ТЭ4) в механическую энергию вращения коленчатого вала, от которого момент вращения передается на генератор переменного тока, который преобразует механическую тягу дизельного двигателя в электрическую. Электрический постоянный ток, выработанный генератором, поступает на тяговые электродвигатели постоянного тока, которые преобразуют электрическую энергию в механическую. Крутящий момент от тяговых электродвигателей передается на ведущие колесные пары через одностороннюю зубчатую (тяговую) передачу. Назначение передачи - обеспечить оптимальный режим работы дизеля при любой скорости движения поезда любого веса. В современных тепловозах используются электрическая, гидравлическая (гидродинамическая)/ гидромеханическая и механическая передачи. Дизель развивает максимальный крутящий момент при относительно высоких оборотах, максимальную мощность - на ещё более высоких оборотах. Локомотиву максимальная тяга необходима при трогании с места, то есть от нулевой скорости. В дальнейшем, по мере разгона поезда, тяга может существенно уменьшаться. Маневровые и промышленные локомотивы обычно используются для передвижения вагонов в пределах станции или на подъездных путях предприятий с малыми радиусами кривых. Именно поэтому большинство таких локомотивов - тепловозы, так как для работы на любых, в том числе неэлектрифицированных вспомогательных путях, важна автономность энергетической установки.

К основным элементам конструкции тепловоза относятся кузов и рама, дизель - один или несколько, ударно-тяговые приборы (автосцепное оборудование), элементы передачи, ходовая (экипажная) часть - тележки и тормозное оборудование. К вспомогательным узлам - системы охлаждения и воздухоснабжения дизеля, песочная система, система пожаротушения, электрооборудование и т. д.

Современные виды двигателей

 Газотурбовоз. Газотурбинный двигатель – тепловой двигатель, в котором газ сжимается и нагревается, а затем энергия сжатого и нагретого газа преобразуется в механическую работу на валу газовой турбины. Рабочий процесс газотурбинного двигателя может осуществляться с непрерывным сгоранием топлива при постоянном давлении или с прерывистым сгоранием топлива при постоянном объеме. На газотурбовозе происходит то же самое, что и на тепловозе: тепловая энергия превращается в механическую, механическая - в электрическую, а последняя - в механическую.

Тепловоз на природном газе. При работе газодизеля сжатый природный газ поступает из баллонов к редуктору давления первой ступени, где его давление снижается с 20 до 5 МПа. После редуцирования газ нагревается в двух водяных нагревателях и поступает в редуктор давления второй ступени, где его давление понижается с 50 до 1,6 МПа. Затем газ проходит третий водяной нагреватель, поступает в регулятор давления третьей ступени и в газовый коллектор газодизеля. В этом регуляторе давление газа преобразуется по величине в зависимости от уровня сигналов, поступающих от управляющего регулятора. Далее из газового коллектора газ поступает в дозаторы, управляемые регулятором числа оборотов дизеля, и затем через газовые клапаны во впускные полости цилиндровых крышек. Температура газа на входе в дизель регулируется с помощью электромагнитных вентилей, управляемых температурными реле. Вероятность возникновения взрыва или пожара на газотепловозе значительно меньше значений, регламентируемых ГОСТ 12.1.10-76.

 

Главной задачей моей работы является нахождение альтернативного способа повышения КПД дизельного двигателя тепловоза.

 

Техническим результатом является повышение эффективности двигателя маневрового локомотива за счет получения водорода на его борту для обеспечения его работы на водороде или с добавкой водорода к топливу и обезвреживания выхлопных газов дизеля.

Технический результат достигается тем, что в локомотив с кузовом капотного типа, содержащий дизель с впускным, выпускным и топливным коллекторами, и шахту холодильника, дополнительно под капот между дизелем и шахтой холодильника установлен генератор водорода с магистралью его выхода, который работает на гидролизе твердого реагента с щелочным раствором, и содержит водородный коллектор, систему подачи реагентов в генератор водорода и емкость хранения продуктов гидролиза, причем магистраль выхода водорода соединена через водородный коллектор с впускным и топливным коллекторами, а емкость хранения продуктов гидролиза соединена параллельно выпускному коллектору.

Постановка генератора водорода, работающего на гидролизе твердого реагента с щелочным раствором натрия на борт тепловоза, позволяет получить водород на борту тепловоза, тем самым решить проблему безопасного хранения водорода на борту тепловоза.

Подсоединение емкости хранения продуктов гидролиза генератора водорода параллельно выпускному коллектору позволит обезвредить выхлопные газы от токсичных составляющих.

Наличие водородного коллектора и его соединение с топливным и впускным коллекторами обеспечивает подачу водорода под необходимым давлением в топливный и впускной коллекторы, и образование гомогенной водородовоздушной и водородотопливной смеси, а также обеспечивает возможность подачи водорода в дизель одновременно с топливом и надувочным воздухом.

Маневровый локомотив содержит кузов капотного типа 1, дизель 2, впускной коллектор 3, шахту холодильника 4, топливный коллектор 5, выпускной коллектор 6, генератор водорода 7, который работает на гидролизе водного раствора щелочи с энергоаккумулирующими материалами и содержит магистраль выхода водорода 8, водородный коллектор 9, систему подачи реагентов 10 в генератор водорода, емкость хранения продуктов гидролиза 11(Приложение).

Подачу водорода в цилиндр дизеля возможно осуществить тремя способами: подавать водород совместно с надувочным воздухом, подавать водород совместно с топливом и подавать водород одновременно с топливом и воздухом.

При достижении определенного давления в водородном коллекторе запускают дизель, при этом подают добавку водорода во впускной коллектор дизеля, таким образом, осуществляют работу дизеля с добавкой водорода в количестве до 2% от массы топлива.

Подача водорода во впускной коллектор в количестве до 2% от массы основного топлива ограничена порогом взрываемости водородовоздушной смеси.

Подачу водорода в дизель более 2% необходимо осуществлять с топливом. Для этого водород подают в топливный коллектор. Таким образом, водород с топливом взрывобезопасно подают в дизель в количестве более 2%.

При необходимости водород можно подавать одновременно во впускной и топливный коллекторы. В этом случае водород в цилиндр дизеля будет поступать с наддувочным воздухом и топливом одновременно.

При генерировании водорода гидролизом алюминия в водном растворе щелочи (например, NaOH), в отработанном растворе содержится исходная щелочь (NaOH) и алюминат натрия (NaAlO₂). При неблагоприятных условиях (например, если щелочи недостаточно) может образоваться также гидроокись алюминия (Al(OH)₃). Все эти вещества имеют щелочную реакцию и способны связывать токсичные компоненты выхлопных газов.

Например, связывание углекислого газа происходит в соответствии с уравнениями:

1. NaOH + CO₂ → NaHCO₃

2. 2NaAlO₂ + CO₂ → Na₂CO₃ + Al₂O₃

3. 2Al(OH)₃ + 3CO₂ → Al₂(CO₃)₃  + 3H₂O

Предлагаемый способ позволяет: решить проблему хранения водорода за счет получения водорода на его борту, снизить расход топлива до 40% за счет питания дизеля добавкой водорода 1-10% от массы основного топлива, обезвреживать токсичные составляющие выхлопных газов продуктами гидролиза и утилизировать отработанный аккумуляторный электролит.

Я буду продолжать исследования по данной теме, чтобы изучать способы повышения КПД подвижных составов, но сохранить экологию.

 

                                                                                               Приложение

 

Схема локомотива с водородным генератором

Используемая литература:

1.Дробинский В. А., Егунов П. М. Что такое тепловоз // Как устроен и работает тепловоз. — 3-е изд., переработанное и дополненное. — М.: Транспорт, 1980.

2.Сотников Е. А. Двигатель внутреннего сгорания приходит на железную дорогу // Железные дороги мира из XIX в XXI век. — М.: Транспорт, 1993.

3.https://ru.wikipedia.org/wiki/%D2%E5%EF%EB%EE%E2%EE%E7

4.https://ru.wikipedia.org/wiki/%DD%EB%E5%EA%F2%F0%EE%E2%EE%E7

5.http://www.5rik.ru/better/article-105367.htm

6.http://вики.жд.рф/wiki/Газотепловозы, работающие на природном газе