Так как расход топлива при работе дизеля 10Д100 значительно зависит

от температуры масла и воды, особенно на холостом ходу, а равновесный температурный режим на станций испытания дизелей приближенно можно установить только для номинального режима, для холостого хода проводились замеры расхода топлива при различной температуре и определялась зависимость расхода топлива от темпе­ратур для стандартных и опытных форсунок. Причем, так пак расход I кг топлива на х.х. длится значительное время, то температура определялась до начала На рис. 3.10 представлены зависимости расхода топлива от температур масла при холостом ходе работы дви­гателя на правом ряде форсунок. Экспериментальные точки для различ­ных видов форсунок и линейные зависимости G (кг/ч) от Т_м (°С), полученные на основании обработки опытных данных по методу наимень­ших квадратов, показаны на рисунке.

В табл. 3.8 приведены данные испытаний различных форсунок на номинальной режима.

Таблица 3.8

Результаты испытаний

№ п/п	Тип форсунок	Ne, kBт	9е	Тв, оС	Р2
	Стандартные форсунки на правой и левой стороне		250,1	353,6	99,1
	Опытные одно-дырчатые на правой стороне дизеля, а на левой стороне стандартные		253,1	361,9	102,9
	Опытные трех дырчатые с параллельным направлением струй топлива на правой стороне дизеля, а на левой стандартные		250,9	357,5	100,2

Приведенные испытания показали, что впрыск топлива в виде трех параллельных струй позволил улучшить рабочий процесс на номиналь­ных режимах по сравнению с однодырчатыми форсунками, сравняв его практически с серийными трехдырчатымм форсунками (разница по расходу топлива 0,3 % практически близка к погрешности точности замеров). При этом резко сократился расход топлива на х.х. по сравне­нию с серийными от 14,9 до 27,4 %, а по сравнения с однодырчатыми от 10,2 до 16,2 % в зависимости от температурного режима.

Рис. 3.10. Зависимость изменения расхода топлива от температуры масла при холостом ходе дизеля 10Д100: 1 – стандартные форсунки (… - опытные точки); 2 – опытные одно-дырчатые (- опытные точки); 3 – опытные трех дырчатые с параллельным направлением струй топлива (xxx – опытные точки)

В эксплуатации дизели на х.х. работают в основном в период оста­новки тепловоза и отстой локомотива, при этом температура масла обычно бывает от 40 до 60°С. Причем на х.х. в среднем по сети до­рог дизели 2Д100 работают 34,4 %, а 10Д100 – 38,5 % от общего времени работы. [23]

Для оценки эффекта в эксплуатации были проведены испытания в локомотивном депо Гудермес на тепловозе ТЭ-3-3007А, который при маневрах на отсыпке пути более 90 % времени работал на холостом ходу. При испытаниях дизеля чередовалась установка опытных и стандартных форсунок со строгой фиксацией расхода топлива. Испытания проводились в течение года. При этом средний расход дизельного топлива в день составил при серийных форсунках 314,280 кг, а при опытных 262,143 кг, т.е. средняя экономия топлива составила 16,59 %, что согласуется с данными стендовых испытаний.

3.5.5. Разрешение технического противоречия

3.5.5.1. Непосредственное решение

Рассмотреть возможность решения задачи непосредственно по фор­мулировке ИКР-2. Если решение очевидно, перейти к его проверке по 5.1. В результате анализа запатентовать техническое решение: способ работы физической форсунки и устройства его осуществления.

3.5.5.2. Вепольный анализ

Составить вепольную формулу системы. Рассмотреть ее простейшие преобразования (достройка простого веполя, достройка двойного веполя, разрушение веполя и т.д.). Если решение задачи очевидно, перейти к 5.1.

3.5.5.3. Метод моделирования маленькими человечками (ММЧ)

а) Используя метод ММЧ, построить схему физического противоре­чия.

б) Изменить схему "а" так, чтобы маленькие человечки действовали, не вызывая конфликта.

в) Перейти к технической схеме. Если решение очевидно, перейти к 5.1.

3.5.5.4. Применение «указателя физических эффектов»

Рассмотреть возможность устранения ФП с помощью «указателя применения физических эффектов» [32].

3.5.5.5. Анализ трудных задач

Если задача решена, перейти от физического решения к техниче­скому: осуществляющего этот способ и дать принципиальную схему устройства, осуществляющего этот способ. Если ответа нет, проверить, не является ли формулировка 2.1 сочетанием нескольких разных задач. В этом случае 2.1 следует изменить, выделив отдельные задачи для поочередного решения. Если и после этого нет ответа, вернуться к 3.1, взять другой изменяемый элемент и повторить анализ. Если повторный анализ не дал ответа, вернуться к шагу 2.1 и заново сформулировать мини-задачу, отнеся ее к надсистеме, в которую вхо­дит рассматриваемая система. При необходимости такое возвращение к мини-задаче совершают несколько раз - с переходом к подсистеме и т.д.

3.5.5.6. Усиление ответа

Рассмотрим вводимые вещества и поля. Можно ли не вводить новые вещества и поля, использовав те вещества и поля, которые уже есть в системе или в окружающей среде? Можно ли использовать само регулируемые вещества? Ввести соответствующие поправки в технический ответ. (Само регулируемые вещества - это такие вещества, которые определенным образом меняют свои физические параметры при изменении внешних условий). Применение само регулируемых веществ позволяет ме­нять состояние системы или проводить в ней изменения без дополни­тельных устройств.

В нашей задаче, которая является очень сложной и имеет противо­речия для различных режимов, на этом шаге целесообразно изменить ИКР, выйдя в подсистему.

Для х.х. целесообразно сформулировать ИКР: дизель на холостом ходу не работает, но находится в работоспособном состоянии и может в любой момент начать работать на нагрузочном режиме. Двигательная работа тепловозных дизелей на х.х. связана с двумя основными фак­торами: поддержание необходимого температурного режима двигателя и обеспечение быстрого перехода в рабочий режим.

При этом, сокращая время работы на х.х., мы сокращаем непроизво­дительный расход топлива и в то же время предотвращаем процесс нагарообразований, так как нагар в основном образуется на этом режи­ме (при сравнительно низких температурах в выхлопном тракте). В результате увеличивается мощность и снижается расход топлива на номинальном режиме. Таким образом, сокращение времени работы на х.х. повышает эффективность работы дизеля как на х.х., так и на и.р.

Чтобы обеспечить необходимый температурный режим, в настоящее время отрабатывают в основном системы подогрева двигателя от постороннего энергоносителя в виде циркуляционных систем: водяных, паровых и масляных. Для обеспечения быстрого перехода в рабочий режим необходимо повысить надежность и эффективность систем пуска дизеля.

Надежность системы пуска тепловозного дизеля с электрической передачей зависит от двух основных факторов: 1) от условий про­крутки главного генератора в режиме двигателя при потреблении энергии от аккумуляторной батареи; 2) от условий самовоспламене­ния топлива в момент пуска.

В свою очередь процесс раскрутки двигателя зависит от состоя­ния аккумуляторной батареи, момента сопротивления дизеля и эффек­тивности электромагнитной системы главного генератора, обеспечива­ющей его прокрутку в режиме двигателя при потреблении энергии от аккумуляторной батареи.

Для анализа процесса автором были проведены экспериментальные исследования с осциллографированием изменения тока, давления и оборотов в процессе пуска.

Анализ осциллограмм пуска показал, что процесс раскрутки глав­ного генератора можно разделить на несколько этапов.

Первый этап - линейное возрастание тока при неподвижном генераторе. Скорость нарастания тока на этом этапе определяется величи­ной сопротивления якоря генератора и пусковой обмотки.

Второй этап - постепенное сокращение прироста тока в единицу времени до = 0, Jmax. При этом происходит микро движение гене­ратора за счет постепенного выбора зазоров в системе дизеля вплоть до начала его проворота.

Третий этап - увеличение оборотов генератора до момента появле­ния вспышек в цилиндрах дизеля.

Четвертый этап - совместная работа главного генератора и дизе­ля с увеличением его оборотов до устойчивой работы холостого хода.

Большинство исследований по повышению эффективности системы пу­ска, проведенных как у нас, так и за рубежом, направлены на совер­шенствование третьего и четвертого этапов. Основными из них являют­ся: подогрев масла, подогрев воздуха во всасывающей системе, приме­нение принудительного зажигания, подача дополнительной порции легко воспламеняющего топлива во всасывающую систему, ускорение подачи топлива, регулирование начала подачи топлива в период раскрут­ки. Среди перечисленных работ только подогрев масла частично влия­ет на второй этап процесса пуска, так как сокращает момент сопро­тивления при запуске холодного дизеля. В то же время первый к второй этапы оказывают значительное влияние на надежность пуска и срок службы аккумуляторных батарей за счет максимального броска тока, который приводит к сульфатации и осыпанию активной массы пластин.

Чтобы повысить эффективность второго этапа, было решено уси­лить магнитный поток в этот период.

Согласно 4.6 АРИЗ при этом целесообразно использовать само регулируемые вещества без дополнительных устройств. В качестве тако­го вещества использован магнитный поток независимой обмотки при изменении ее полярности. Так как момент главного генератора М_гг = КJФ,

то при одном и том же моменте сопротивления увеличение магнитного потока Ф способствует сокращению броска тока. Экспери­ментальные исследования показали, что ток в независимой обмотке за счет большого индуктивного сопротивления меняется медленно. По­этому ее необходимо подключать за 5... 6 с перед включением пуско­вых контакторов, при этой ток в ней достигает 60 А. В момент вклю­чения пусковых контакторов ток в независимой обмотке резко умень­шается, а затем по мере возрастания оборотов начинает возрастать, при этом на третьем этапе дополнительное увеличение Ф за счет не­зависимой обмотки является тормозящим фактором, снижающим скорость нарастания оборотов. Поэтому предложена электрическая схема запус­ка дизеля, защищенная авторским свидетельством [33], которая по­зволяет предварительно включать независимую обмотку главного гене­ратора с обратной полярностью и выключать ее после выключения пус­ковых контакторов.

На рис. 3.11 приведены сравнительные данные J = b (t) и изме­нения оборотов двигателя n = b (t) при штатной системе пуска и с использованием независимой обмотки возбуждения для тепловозов ТЭЗ.

На основании экспериментальных данных установлено, что на тепловозе ТЭЗ при предлагаемом способе пуска по сравнению со штатным в среднем максимальный ток при пуске и повороте снизился на 250 А, при достижении 100 об/мин скорость нарастания оборотов увеличилась на 12,6 %, а потребляемая мощность составила 0,65 от емкости при штатном способе.

Предложенный способ позволяет увеличить срок службы аккумуля­торной батареи за счет уменьшения емкости, потребляемой при пуске и провороте, и снижении броска тока. При этом повышается надежность пуска, сокращается расход топлива и масла за счет увеличения скорости прокрутки двигателя.

Для улучшения условий самовоспламенений топлива в момент пуска

(3-й и 4-й этапы) автором проводились экспериментальные исследова­ния на тепловозных дизелях с установкой свечей зажигания а цилиндрах, ионизацией воздуха, подогревом воздуха с помощью горящего топливного факела во всасывающем коллекторе [34,35]. При этом легковоспламеняющиеся топлива были исключены из-за пожарной опас­ности.

Рис. 3.15. Зависимости изменения J тока и n оборотов двигателя от времени в процессе пуска при штатной системе (1 и 2) и с использованием обмотки возбуждения (3 и 4).

Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным способом является система горящего факела во всасывающей системе с ионизацией воздуха согласно изобретению [14], описанному в подразд. 3.4.

3.5.6. Анализ способа устранения ФП

3.5.6.1. Провести предварительную оценку полученного решения при помощи контрольных вопросов.

1. Обеспечивает ли полученное решение ИКР-1?

2. Какое ФП устранено полученным решением?

3. Содержит ли полученная система хотя бы один хорошо управляемый элемент? Какой именно? Как осуществить управление?

4. Годится ли решение, найденное для «одно-цикловой» модели задачи, в реальных условиях со многими «циклами»?

Если полученное решение не удовлетворяет хотя бы одному из контрольных вопросов, вернуться к 2.1.

3.5.6.2. Проверить (по патентным данным) формальную новизну
полученного решения.

3.5.6.3. Какие подзадачи возникнут при технической разработке
полученной идеи? Записать возможные подзадачи: изобретательские,
конструкторские, расчетные, организационные.

Учитывая сложность нашей проблемы и особенности эксплуатацион­ной работы тепловозов, из решений отдельных задач следует выде­лить два наиболее ценных, которые с минимальными затратами, свя­занными с проведением модернизации, могут дать значительный эко­номический эффект: I) ионизация воздуха во всасывающем коллекторе с положительным зарядом на роторе; 2) использование независимой обмотки главного генератора в электрической схеме пуска.

3.5.7. Развить полученные ответы.

3.5.7.1. Определить, как должна быть изменена надсистема, в которую входит измененная система.

3.5.7.2. Проверить, может ли измененная система (или надсисте­ма) применяться по-иному.

3.5.7.3. Использовать полученный ответ при решении других тех­нических задач:

а) сформулировать в обобщенном виде полученный принцип решения;

б) рассмотреть возможность прямого применения полученного прин­ципа при решении других задач;

е) рассмотреть возможность использования принципа, обратного полученному.

Разработанный способ интенсификации процесса сгорания при поло­жительном потенциале на роторе можно применить по прямому назначе­нию в турбореактивных двигателях и котельных установках. Кроме то­го, этот способ может быть использован в технологических печах различного назначения.

Литература

1. Ковалев А.П. и др. Справочник по функционально-стоимостному анализу/под ред. М.Г. Карпунина и Б.И. Майданчика. М.: Финансы и статистика, 1988.

2. Дж. К. Джонс. Инженерное и художественное конструирование. М.: Мир, 1976.

3. Индрунский Л.И. и др. Улучшение стабильности эксплутационных характеристик форсунок//Двигателестроение. 1987. №1. С. 51-52.

4. Кутовой В.А. Распыливатель топлива дизельными форсунками//Тр. НИИ. 1959. №8.

5. Кухарев М.Н. Исследование распыливания топлива применительно к быстроходным дизелям//Тр. НАМИ. М., 1959. Вып. 87.

6. Заявка Великобритании №1402785, Мкл. F02М27/04. Опубл. 1975.

7. А.с. 885586, Мкл. F02М27/04. Способ обработки топливовоздушной смеси/А.В. Пугачев (СССР). № 2716253/25-06. Заяв. 24.01.79. Опубл. 20.12.81. Бюл. № 48//Открытия, изобретения. 1981. №48.

8. Пантелеев А.Ф. и др. Влияние электрического поля на испарение и горение горючих жидкостей//ФГВ. 1992. № 3. С. 38.

9. Гудяев Г.А. и др. Тезисы докладов научно-практического семинара по электрофизике горения. М.: Ин-т физ.химии АН СССР, 1988.

10. Фиалков А.Б. и др. Ионный состав пламени бутан-воздух при пониженном давлении//ФГВ. 1985. № 3. С. 32.

11. Леутон Д., Вейнберг Ф. Электрические аспекты горения. М.: Энергия, 1976.

12. Степанов Е.М., Дьячков Б.Г. Ионизация в пламени и электрическом поле. М.: Металлургия, 1968.

13. А.с. № 1218161 СССР, МКИ F02В37/00, F02М 27/04. Способ работы двигателя внутреннего сгорания и двигатель внутреннего сгорания/И.А. Иванов (СССР). № 3645053/25-06. Заяв. 26.09.84. Опуб. 15.03.86. Бюл. №10//Открытия, изобретения. 1986. №10.

14. Альтшуллер Г.С. Творчество как точная наука. М.: Советское радио. 1979.

15. Альтшуллер Г.С., Злотин Б.А., Зусман А.В. Теория и практика изобретательских задач. Кишинев: Кишиневу, 1989.

16. Хомич А.З. Топливная эффективность и вспомогательные режимы тепловозных дизелей. М.: Транспорт, 1987.

17. А.с. №1006791 СССР, МКИ F02М 25/02. Способ работы дизеля. № 3307 403/25-06/И.А. Иванов (СССР). Заявл. 22.06.81. Опубл. 23.03.83. Бюл. № 11//Открытия, изобретения. 1983. № 11

18. Мелькумов Т.М. Теория быстроходного двигателя с самовоспламенением. М.: Оборонгиз, 1963.

19. А.с. №1361365, МКИ F02М 25/02.Двигатель внутреннего сгорания. № 4092406/25-06/И.А. Иванов (СССР). Заявл. 15.05.86. Опубл. 23.12.87. Бюл. № 47//Открытия, изобретения. 1987. № 47.

20. А.с. №832093, МКИ F02В 15/00. Способ работы двухтактного двигателя внутреннего сгорания с противоположно движущимися поршнями/И.А. Иванов (СССР). № 2740041/25-06. Заяв. 23.03.79. Опубл. 23.05.81. Бюл. № 19//Открытия, изобретения. 1981. № 19.

21. Иванов И.А. Исследование метода повышения эффективности работы тепловозных дизелей типа Д100//Вопросы надежности и повышения эффективности эксплуатации и ремонта подвижного состава: Тр./РИИЖТ. Ростов-на-Дону, 1981. Вып. 163.

22. Иванов И.А. Исследование работы дизелей 2Д100 с опытными форсунками//Повышение качества ремонта подвижного состава: Межвуз. Тем.сб./РИИЖТ. Ростов-на-Дону, 1983. Вып. 169.

23. Иванов И.А. Повышение эффективности работы тепловозных двигателей типа Д100/Вестник РГУПС – 2001.С.75-79.

24. Пат. РФ №2219364, F02м 47/02, 53/04. Способ работы дизельной форсунки и устройство для его осуществления. И.А. Иванов, опубл. 11.03.02. Бюл. №25с498.

25. техника и наука. 1981. № 1-9. 1982. № 3-8. 1984. №1-6.

26. А.с. 1528942, МКИ F02 № 11/08. Электрическая схема запуска дизеля/И.А. Иванов (СССР). № 4283277/25-06. Заявл. 13.07.8. Опубл. 15.12.89. Бюл. №46//Открытия, изобретения. 1989. №46.

27. Иванов И.А. Повышение надежности запуска тепловозных дизелей за счет прогрева всасывающего воздуха//Вопросы надежности и повышения эффективности эксплуатации ремонта подвижного состава: Тр./РИИЖТ. Ростов-на-Дону, 1981. Вып. 105.

28. Иванов И.А. Повышение эффективности пуска тепловозного дизеля/Повышение эффективности работы подвижного состава: Мехвуз. Об. Науч. Тр./РИИЖТ. Ростов-на-Дону, 1991.

Приложение