Эффективность работы тепловозов с электронной системой управления впрыском топлива

• электронные системы с импульсным управлением в магистралях топливного насоса высокого давления к форсункам с механическим приводом;
• электронные системы с импульсным управлением топливного насоса высокого давления (ТНВД) с различным приводом;
• электронные системы с импульсным управлением форсунок.

Анализируя опыт как отечественных, так и зарубежных разработчиков в данной области, руководством ООО «ППП Дизель-автоматика» было принято решение о разработке микропроцессорной системы регулирования с импульсным индивидуальным управлением в магистралях высокого давления каждой форсунки и механическим приводом ТНВД. Такая система управления наиболее проста в производстве и эксплуатации, обладает высокой степенью унификации под любой типоразмер дизелей, не требует больших изменений в топливных системах дизелей, находящихся в эксплуатации. Кроме того, такими системами можно оборудовать тепловозы в условиях ремонтных депо и локомотиворемонтных заводов.

Разработанная система регулирования топливоподачи сохраняет преимущество электронных регуляторов и позволяет добавить ряд новых возможностей. В первую очередь это оптимизация топливоподачи в зависимости от внешних факторов, выравнивание давления сгорания топлива и температуры выхлопных газов по цилиндрам, снижение минимально устойчивой частоты вращения холостого хода,  возможность отключения ряда цилиндров.

Характерной особенностью эксплуатации маневровых тепловозов является длительная работа их дизельных двигателей на режимах с малыми нагрузками и режиме холостого хода, продолжительность которого может достигать 50%. Расход топлива на режимах холостого хода дизеля составляет 30÷50% общего расхода топлива в эксплуатации. Если учесть, что 40÷50% всех эксплуатационных затрат в ОАО «РЖД» составляют затраты локомотивного хозяйства на топливо и масло, то вопросы экономии дизельного топлива являются важным резервом повышения энергоэффективности работы тепловозной тяги.

Учитывая требования ОАО«РЖД», подобная система была изготовлена для дизеля 1-ПДГ4Д, также подобрали оптимальные углы опережения впрыска топлива.  Были проведены сравнительные испытания при работе дизеля со штатной системой топливоподачи и опытной системой электронного управления подачей топлива.

В ходе сравнительных испытаний электронная система управления впрыска топлива (ЭСУВТ) показала лучшие результаты, выраженные следующими цифрами:

• экономия топлива от 4 до 17 %;

• снижение устойчивой минимальной частоты вращения коленчатого вала на  холостом ходу до 220 об/мин. Экономия расхода топлива при 300об/мин составила 6,23 кг/ч, что соответствует-16,9 %, при 250 об/мин составила 5,2 кг/ч, что соответствует-30,7 %, при 220 об/мин 4,27 кг/ч, что соответствует-37,1 %;

• повышение равномерности максимального давления сгорания топлива в цилиндрах дизеля;
• снижение шума в пределах 1÷11 дБ;
• снижение вредных выбросов отработанных газов.

На основании результатов испытаний ЭСУВТ, по согласованию с Дирекцией тяги, было принято решение об установке такой системы на тепловозе ТЭМ2 для оценки ее работоспособности. В результате эксплуатационных испытаний, которые проводились более девяти месяцев показали, что годовая экономия топлива составила 9,2 тонны и позволили сделать следующие выводы:

• электронная система управления впрыском топлива̶  надежное устройство. Отказы и неисправности системы в период почти годовой эксплуатации не зафиксированы;
• расход топлива на холостом ходу при частоте вращения вала дизеля 240об/мин составил 5,63 кг/ч, а при 300 об/мин расход топлива составил 6,9 кг/ч;
• расход топлива на холостом ходу со штатной системой топливоподачи при частоте вращения вала дизеля 300 об/мин составил 8,66 кг/ч;
• электронная система управления впрыском топлива позволяет автоматически отключать половину цилиндров путем отключения подачи топлива в нужные цилиндры при работе на пониженной частоте вращения холостого хода, при этом увеличивая цикловую подачу топлива в оставшиеся цилиндры;
• для предотвращения чрезмерного охлаждения камеры сгорания неработающих цилиндров осуществляется автоматическое чередование рабочих цилиндров с нерабочими по заданному алгоритму.

Приемочная комиссия ОАО«РЖД» признала результаты сравнительных эксплуатационных испытаний положительными. На совещании у старшего вице- президента ОАО «РЖД» В.А. Гапановича по этому вопросу было принято решение об изготовлении установочной партии электронная система управления впрыском топлива.С сентября 2012 года данная система устанавливается на тепловоз ТЭМ18ДМ.

Замеры расхода топлива на тепловозе ТЭМ18ДМ подтвердили эффективность снижения минимальной частоты вращения. Средняя экономия топлива при работе на пониженной частоте вращения холостого хода составили 20 %.Данная топливная система обеспечивает регулирование угла опережения впрыска топлива и значительное снижение расхода топлива. Вместе с тем она имеет существенный недостаток в виде дополнительной сложной системы высокого давления топлива.

Основными элементами ЭСУВТявляются:

• ТНВД c плунжерными парами, работающими постоянно в режиме максимальной подачи;
• электромагнитные клапаны, установленные на ТНВД;
• форсунки дизеля в штатной комплектации;
• блок управления (БУ);
• блок питания (БП);
• выходные усилители;
• набор датчиков частоты вращения и температуры воды, масла и давления масла;
• программатор (ПР).

Действует система следующим образом. Топливо из топливного бака  забирается вспомогательным топливным насосом  через фильтр  и по магистрали низкого давления подается к каждому из насосов. Если, например, по обмотке электромагнита клапана ток не протекает, то этот клапан находится в таком положении, что при рабочем ходе плунжера топливного насоса высокого давления  топливо поступает не в форсунку, а по магистрали низкого давления сливается в бак.Если по обмотке электромагнита протекает ток нужной величины, то клапан займет такое положение, что при рабочем ходе плунжера топливо будет поступать в форсунку и, в конечном итоге, будет происходить процесс его впрыска в цилиндр. Причем, впрыск будет продолжаться до тех пор, пока по обмотке электромагнита протекаетток.В результате продолжительность впрыска определяется только длительностью протекания тока по обмотке электромагнита. Импульсы тока, управляющие электромагнитными клапанами, формируются блоком управления.ЭСУВТ обеспечивает работу дизеля путем подачи на электроуправляемые клапаны ТНВДсигналов, пропорционально которым изменяется подача топлива. По сигналу от преобразователя частоты вращения блок управления оценивает текущую частоту вращения коленчатого вала дизеля и по заложенной программе осуществляет корректирование управляющего сигнала в сторону его уменьшения или увеличения в зависимости от рассогласования текущей и заданной частот вращения.

По сигналам от преобразователя фазовой отметки блок управления определяет положение в верхней мертвой точке поршня первого цилиндра на такте сжатия и соответственно этому изменяет момент подачи управляющего импульса, что приводит к изменению угла опережения впрыска топлива по заданной программе. Оптимальное значение угла опережения впрыска топлива обычно устанавливают для частот вращения коленчатого вала, близких к номинальной. При использовании ЭСУВТудельный расход топлива, начиная с четвертой позиции контроллера, заметно снижается.Необходимо отметить, что созданная в ООО «ППП Дизель-автоматика» система электронного управления подачей топлива может реализовать так называемый «пилотный» впрыск топлива. При таком впрыске порция топлива, которая должна быть подана в цилиндр, разделяется на две неравные части. Сначала впрыскивается меньшая часть, а затем через некоторое время ̶ остальная. Собственно, «пилотным» впрыском называют предварительный впрыск небольшой части топлива.При «пилотном» впрыске топливо воспламеняется быстрее, а скорость увеличения давления и температуры газа в цилиндре снижается. В результате улучшается использование теплоты, полученной при сгорании топлива (т.е. уменьшается удельный расход топлива), а, кроме того, снижается «жесткость» работы двигателя и его шум. Таким образом, ЭСУВТобладает определенным резервом по дальнейшей модернизации.

Библиографический список

1. Кирьянов А.Н. Эффективность работы тепловозов с электронной системой управления впрыском топлива [Текст]: / А.Н Кирьянов // Локомотив. – 2014. - №1.- С 31-37
2. Кузьмич В.Д., Руднев В.С., Просвиров Ю.Е. Локомотивы [Текст]: общий курс: учебник для студентов вузов железнодорожного транспорта / В. Д. Кузьмич, В. С. Руднев, Ю. Е. Просвиров. - М.: ФГОУ "Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте", 2011. - 582 с. - (Высшее профессиональное образование). - 3600 экз. - ISBN 978-5-9994-0057-4
3. Мольдерф С.В. Устройство, эксплуатация и ремонт тепловозов серии ТЭМ18 (ДМ, Д, Г, В)[Текст]:учебник для студентов вузов железнодорожного транспорта / С.В. Мольдерф//ОАО РЖД.- 2014.- 276 с. -ISBN: 978-5-89035-745-8