- обеспечивать надежный запуск дизеля без подогрева при температуре окружающего воздуха не более 281 К;
- иметь моторесурс до капитального ремонта не менее 16000ч;
- допускать неограниченную длительность непрерывной работы на холостом ходу;
- теплоотдача в воду и масло должна допускать возможность использования имеющихся систем;
- иметь температуру отработавших газов после турбины не более 923 К;
- удельная стоимость должна быть не более 750 грн/кВт.
Анализ практики мирового и отечественного двигателестроения показывает [28, 143, 155, 160, 162, 164, 169], что ведущие фирмы мира прибегают к разработке дизелей новых типов только в тех случаях, когда отсутствуют возможности адаптации уже существующих образцов к новым объектам, к новым условиям работы или к новым требованиям. Расширенное применение доведенных базовых образцов двигателя выгодно как производителю (снижаются затраты на разработку и организацию производства), так и для потребителя (есть опыт эксплуатации и ремонтная база).
Исходя из этого, экономически обоснованным является создание универсальной модификации двигателя для силовых установок новых и находящихся в эксплуатации дизель-поездов на базе уже апробированных дизелей отечественного производства.
В наибольшей степени выдвигаемому комплексу требований к силовой установке ДП удовлетворяет дизель типа 6ТД (6ДН12/2х12), разработанный Казенным предприятием "Харьковское конструкторское бюро по двигателестроению" (КП ХКБД) [34] и выпускаемый серийно ГП "Завод имени
В.А. Малышева" г.Харькова [108,110].
Дизель 6ТД-1 (мощность 735 кВт) устанавливается в танки Т-80УД производства ГП "Завод имени В.А. Малышева". Форсированный дизель 6ТД-2 имеет номинальную мощность Ne=883 кВт и устанавлива-
ется в танки Т-84. Они отличаются высоким уровнем доводки рабочих процессов, всех систем, агрегатов и деталей, высоким качеством изготовления серийных образцов.
По удельным показателям, таким как топливная экономичность, литровая мощность, габаритная мощность, удельнай масса, двигатель 6ТД либо находится на уровне лучших мировых образцов, либо превосходит их. Все это, в совокупности, делает дизель 6ТД конкурентоспособным на мировом рынке военной техники.
Общие сведения о танковом дизеле 6ТД приведены в приложении А. На рис.А.1 показан поперечный разрез дизеля 6ТД, на рис.А.2 - его общий вид, а в табл.А.1 приведены основные технические характеристики.
Конвертируемый двигатель 6ТД для ДП должен отличаться от аналога большим ресурсом, меньшей ценой, учитывать особенности эксплуатации в новых условиях.
Условия работы двигателей, входящих в состав силовых установок ДП, существенно отличаются от условий эксплуатации танковых двигателей. Отличия заключаются в следующем:
- танковый двигатель работает во всем поле возможных частот вращения коленчатого вала, ограниченном внешней характеристикой, а двигатель ДП - либо по генераторной характеристике (в случае применения электрической передачи) либо по характеристике гидротрансформатора. Это снимает требования к значению коэффициента приспособляемости, но повышает требования к экономичности двигателя на режимах частичных нагрузок;
- двигатель для ДП должен иметь ресурс до капитального ремонта не менее 16000 ч, в то время как для танкового (высокофорсированного) варианта этот ресурс может не превышать 1000 ч. В связи с этим номинальная частота вращения модернизируемого дизеля снижается с 2800 до 2200 мин-1;
- для двигателя силовой установки ДП характерна длительная работа на режимах холостого хода, особенно в зимний период, в то время как в составе танка двигатель работает на холостом ходу не более 10% от общего ресурса;
- танковый двигатель рассчитан на работу в условиях повышенного противодавления за турбиной (до 0,13 МПа). Такое противодавление необходимо для работы эжекторов, просасывающих воздух через радиаторы системы охлаждения. В варианте ДП нет необходимости применения эжекционной системы охлаждения, поскольку движение воздуха через радиаторы обеспечивает вентилятор. Статическое давление за турбиной при этом составит не более 0,108 МПа;
- танковый двигатель рассчитан на работу при разрежении на входе в компрессор (до 0,0135 Па). Кроме того, после компрессора часть воздуха (8...10%) отбирается для очистки циклонов воздухоочистителя. Это необходимо для обеспечения надежной очистки воздуха при движении танка по запыленной местности. Тепловозные силовые установки, в том числе установки ДП, не требуют столь развитой системы пылеочистки и разрежение на впуске здесь может быть не более 0,006 МПа. Отбор воздуха после компрессора отсутствует.
Учет особенностей эксплуатации является необходимым условием эффективного использования любого двигателя. Поэтому в КП ХКБД, при непосредственном участии автора, был проведен комплекс работ по адаптации танкового двигателя 6ТД к работе в составе силовой установки ДП ДР-1А и ДЭЛ-01 [109, 111, 116, 118] (см. приложение Б1).
Вариант двигателя 6ТД для дизель-поезда (его заводская марка - 6ДН) имеет следующие параметры:
- номинальная мощность Ne= 588 кВт при n=2200 мин-1;
- максимальное разрежение на входе в компрессор 0,006 МПа;
- максимальное противодавление за турбиной 0,005 МПа;
- среднеэксплуатационный расход топлива Еge=239,6 г/(кВт·ч);
- среднеэксплуатационный удельный выброс NОх - ЕNОх=16,6 г/(кВт·ч);
- среднеэксплуатационный удельный выброс СО - ЕСО=10,2 г/(кВт·ч);
- минимальная частота вращения коленчатого вала на режиме холостого хода 800 мин-1;
Дизель с данными параметрами установлен на дизель поезд ДР-1А
№297, приписанный к депо Полтава. На 1 июня 2003 г. общая наработка дизеля составила более 8000 часов (см. акт от 27.05.03 г.).
Принципиально важной особенностью танкового дизеля 6ТД и его тепловозной модификации, установленной в настоящее время на ДП, является то, что они не имеют промежуточного охлаждения наддувочного воздуха после компрессора. В случае танкового варианта это вызвано, прежде всего, трудностями размещения дополнительного теплообменника в ограниченном пространстве моторно-трансмиссионного отсека.
Основными направлениями совершенствования дизелей, в том числе и для подвижного состава, является улучшение эксплуатационной топливной экономичности, токсических характеристик, а также повышение ресурса. Теория ДВС, мировой опыт создания и эксплуатации двигателей с наддувом [10, 27, 29, 44-49, 53-56, 85, 95, 131, 156-159, 161, 163, 165-172], свидетельствуют, что эффективным средством одновременного улучшения их технико-экономических и токсических показателей является применение промежуточного охлаждения наддувочного воздуха. Охлаждение наддувочного воздуха используют, как правило, либо с целью повышения среднего индикаторного и эффективного давления (форсирование), либо с целью снижения тепловой напряженности основных деталей цилиндро-поршневой группы и клапанов, либо для одновременного достижения обеих указанных целей.
В нашем случае дизель типа 6ДН, предназначенный для ДП, является дефорсированным вариантом танкового дизеля 6ТД-1, и охлаждение наддувочного воздуха здесь рассматривается как средство улучшения его технико-экономических и токсических показателей, а также повышения моторесурса.
Известно [27, 29, 68, 95, 101], что при сохранении давления наддува снижение температуры наддувочного воздуха приводит к увеличению коэффициента избытка воздуха для сгорания. Благодаря этому снижается неполнота сгорания топлива и, следовательно, эмиссия оксида углерода и углеводородов, а также дымность отработавших газов. Вследствие понижения максимальной температуры сгорания снижается также эмиссия оксидов азота [47, 51, 84, 97, 141].
Таким образом, применение промежуточного охлаждения наддувочного воздуха является резервом для дальнейшего улучшения технико-экономических и токсических показателей модификации дизеля 6ТД, предназначенной для дизель-поезда.
Однако применение промежуточного охлаждения наддувочного воздуха требует решения ряда научных задач, вызванных неизбежными изменениями, происходящими в этом случае с рабочим циклом двигателя. В зависимости от того, с какой целью вводится охлаждение наддувочного воздуха, эти изменения будут проявляться по-разному. Если целью введения промежуточного охлаждения наддувочного воздуха является улучшение технико-экономических и токсических показателей двигателя при сохранении неизменной максимальной мощности, то изменения в рабочем цикле будут такими:
- увеличение коэффициента избытка воздуха (суммарного и для сгорания) приведет к изменению характеристик сгорания топлива относительно исходного варианта. Это, в свою очередь, вызовет изменение индикаторного КПД, характеристик токсичности и дымности отработавших газов. На характеристики сгорания топлива также повлияют изменения в полях скоростей свежего заряда в процессах продувки и сжатия, вызванные изменениями параметров газа во впускных и выпускных коллекторах.
- снижение температуры воздуха во впускном коллекторе приведет к снижению температуры заряда в цилиндре в период топливоподачи, что в свою очередь приведет к увеличению периода задержки воспламенения, что также отразится на индикаторном КПД и характеристиках токсичности;
- в связи с увеличением общего расхода воздуха через двигатель увеличится мощность, потребляемая компрессором. В то же время, вследствие снижения температуры газов в выпускном коллекторе (перед турбиной), работоспособность газов, поступающих в турбину и ее мощность, уменьшится. В результате увеличится дисбаланс мощностей турбины и компрессора, который необходимо покрывать за счет отбора мощности от коленчатого вала. В конечном итоге такое перераспределение мощностей приведет к снижению механического КПД двигателя;
- охладитель наддувочного воздуха вносит дополнительное гидравлическое сопротивление во впускной тракт, что также отразиться на процессах газообмена, а в конечном счете на индикаторном и механическом КПД;