Projekts «Mašīnbūves kompetences centrs» (id.nr. 5.1.1.2.i.0/1/22/A/CFLA/006)

1/7/2023

Projektu līdzfinansē Atveseļošanas fonds Darbības programmas “Latvijas Atveseļošanas un noturības mehānisma plāna 5.1.r. reformu un investīciju virziena “Produktivitātes paaugstināšana caur investīciju apjoma palielināšanu P&A” 5.1.1.r. reformas “Inovāciju pārvaldība un privāto P&A investīciju motivācija” 5.1.1.2.i. investīcijas “Atbalsta instruments inovāciju klasteru attīstībai” īstenošanas noteikumi kompetences centru ietvaros” ietvaros.

Pētniecības projekts Nr.4.3. “Gāzveida ūdeņraža degvielas iesmidzināšanas sistēma manevru lokomotīvju dzinējiem”

Projekta mērķis ir izpētīt un izstrādāt gāzveida ūdeņraža degvielas iesmidzināšanas sistēmu manevru lokomotīvju dzinēju pārbūvei no dīzeļdegvielas uz tīrāku, ilgtspējīgāku un Eiropas kopienas kopējai enerģētikas un transporta attīstības stratēģijai atbilstošāku degvielu – ūdeņradi. Lai sasniegtu projekta mērķi, projekta vadošais partneris SIA DIGAS īstenos divas rūpnieciskā pētījuma aktivitātes, kā rezultātā tiks izpētīta ūdeņraža degvielas iesmidzināšanas sistēmas tehnoloģija un izstrādāts sistēmas koncepcijas tehniskais dizains, un kopā ar projekta sadarbības partneri SIA ELBORS trīs eksperimentālās izstrādes aktivitātes, kuru rezultātā uz manevru lokomotīves dzinēja tiks uzstādīts un testēts gāzveida ūdeņraža degvielas iesmidzināšanas sistēmas prototips. Aktivitāšu rezultātā gāzveida ūdeņraža degvielas iesmidzināšanas sistēmas tehnoloģija tiks attīstīta no TLR 4 uz TRL7 plaši demonstrējot pirmo Eiropas Savienībā pārbūvēto manevru lokomotīves dzinēju uz ūdeņradi.

Galvenās aktivitātes:

• Ūdeņraža dzinēju konstrukcijas, īpašību un tehniskā dizaina rūpnieciskā izpēte un analīze, pamatojoties uz dzelzceļa vilcē izmantoto dīzeļdzinēju, lai iegūtu jaunas specifiskas zināšanas par ūdeņraža dzinēju darbības principiem, sastāvdaļām, funkcijām
• Ūdeņraža degvielas iesmidzināšanas sistēmas Tehnoloģijas izstrāde dzelzceļa dzinējiem un sistēmas koncepcijas dizaina izstrāde.
• Ūdeņraža iekšdedzes dzinēja iesmidzināšanas sistēmas eksperimentāla izstrāde, izmantojot detālu sistēmas un tās funkcionālo komponentu mehānisko un elektronisko inženieriju.
• Ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas prototipa komponentu eksperimentālā izstrāde, balstoties uz iepriekšējo aktivitāšu rezultātiem.
• Prototipa un visu sistēmas komponentu uzstādīšana uz lokomotīves dzinēja un to pilna mēroga testēšana un demonstrācija reālajā dzelzceļa vidē.

Plānotais rezultāts:

1. Tehniskā atskaite, kas sevī iekļauj detalizētu lokomotīves iekšdedzes dzinēja tehnisko datu kopu, kas attiecas uz ūdeņraža iesmidzināšanas un padeves sistēmu, tostarp: tehniskās specifikācijas, rasējumi, 3D modeļi, sadegšanas un veiktspējas inženiertehniskie parametri, algoritmi dzelzceļa nozarē piemērojamo standartu analīze projekta uzdevuma rakursā.
2. Tehniskā atskaite, kas sevī iekļauj pilnīgu un detalizētu ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas koncepcijas tehnisko aprakstu, kā arī matemātiskās modelēšanas, simulācijas un validācijas rezultātus, tehnisko specifikāciju, P&ID un diagrammas.
3. Tehniskā dokumentācija (“tehniskais fails”: tehniskais projekts, komponentu, detaļu un mezglu rasējumi, izkārtojumi, elektriskās diagrammas, MK, FEM modelēšanas rezultāti, atbilstības pārbaude.
4. Lokomotīves iekšdedzes dzinēja ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas pilna mēroga prototips (kas tikai minimāli atšķiras no plānotā gala produkta), kas ir notestēts un demonstrēts reālā darbībā dzelzceļa vidē. Klāt pievienota tehniskā dokumentācija ar pilnu tehnisko dokumentu komplektu, ieskaitot tehnisko projektu, rasējumus, izkārtojumus, elektriskās diagrammas, BOM, matemātiskās modelēšanas rezultātus, atbilstības pārbaudi, uzstādīšanas ziņojumus, nodošanas ekspluatācijā rezultātus un pilna mēroga sistēmas testēšanas darbības pārskatu.

Pētniecības projektu īsteno SIA “DIGAS”, SIA “ELBORS”

Tika izpētīta ūdeņraža lokomotīvju dzinēju konstrukcija ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas izstrādes rakursā.

Tika definēti ūdeņraža iekšdedzes dzinēja parametri ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas konstrukcijas specifikācijai

Tika izpētīti dzelzceļa nozarē pielietoto standarti kā arī ūdeņraža piedziņas sistēmu standarti

Tika izpētīta un analīzēta pasaules pieredze iekšdedzes dzinēju nozares gāzveida sprauslu izstrādē

Tika izstrādātas detalizētas tehniskās prasības ūdeņraža padeves degvielas sistēmai. Šo tehnisko prasību formulēšana ļāva izstrādāt šīs sistēmas shematisku diagrammu

Tika noteikta strukturāli funkcionālās pieejas metodoloģija projektēšanai, iesaistot CAD/CAE sistēmas, izmantojot starpdisciplināru pētniecības stratēģiju un interaktīvu metodi optimizācijas problēmu risināšanai

Tika veikti projektēšanas un verifikācijas aprēķini, matemātiski modelējot dažādus dinamiskus un statiskus procesus mācību objektā, tika pamatota īpašu matemātisko metožu izmantošana: Galīgā apjoma metode, Galīgo elementu metode, Eulera metode

Tika izstrādāta un aprakstīta tehnoloģija, kuras pamatā ir gāzes inžektora/sprauslas rūpnieciskie pētījumi tiešai ūdeņraža iesmidzināšanai dzinēja cilindrā pamatojoties uz detalizētām tehniskām prasībām, ir izstrādāta lokomotīves dzinēja ūdeņraža degvielas sistēmas shematiska diagramma. Šīs sistēmas pamatvienības ir regulējams gāzes reduktors un ūdeņraža inžektors, ar kura palīdzību tiek kontrolēti motora darbības režīmi

Tika izveidots savstarpēji saistītu matemātisko modeļu kopums ūdeņraža inžektora darbības simulācijai. Šī kompleksa īpatnība ir tāda, ka viena no šiem procesiem modelēšanas rezultāti ir sākotnējie dati citu procesu modelēšanai. Šāda integrāla matemātiskā modeļa funkcionālā struktūra ietver četrus apakšmodeļus: Statiskais elektromagnētiskais modelis; Dinamiskais procesa modelis; Plūsmas simulācija; Stresa-celma modelis

Sākotnējie dati matemātiskajai modelēšanai un aprēķiniem tika definēti, atlasīti un izvietoti.

Izstrādātais inžektora dinamisko procesu matemātiskais modelis tika apstiprināts un validēts, pamatojoties uz datiem, kas iegūti eksperimentālā ceļā rūpniecisko pētījumu aktivitātēs, izmantojot testēšanas stendu, kas parādīja, ka aprēķinu rezultātu precizitāte nav sliktāka par 4%.

Pamatojoties uz matemātisko modelēšanu, tika veikti strukturālie un verifikācijas aprēķini.

Projektā laika posmā 01.10.2023. – 31.12.2023 tika veikti šādi darbi:

Tika izstrādāts un integrēts ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas matemātiskais modelis. Tas sastāv no ūdeņraža inžektora, H2 degvielas sliedes un spiediena regulēšanas sistēmas funkcionālajiem moduļiem. Modelis ļauj veikt precīzu motora parametrizāciju un kartēšanu, pamatojoties uz inžektoriem un spiediena regulēšanas sistēmas kontroli.

Tika pabeigta detalizēta mehāniskā un elektriskā inženierija, ieskaitot 3D modeļus, rasējumus, specifikācijas. Ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas sastāvdaļas – ūdeņraža elektromagnētiskais inžektors, elektroniskais spiediena regulators, ūdeņraža padeves sliede ar integrētu spiediena regulēšanas vārstu un drošības ierīcēm, ūdeņraža iesmidzināšanas drošības sistēma, elektroniskais vadības bloks – inžektora draiveris, elektriskie savienojumi un elektroinstalācija tika pilnībā izstrādāti kopā ar pilnu tehniskās dokumentācijas komplektu sastāvdaļu ražošanai.

Tika veikta ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmas komponentu prototipu eksperimentālā izstrāde, pamatojoties uz veiktajām tirgus izpētes aktivitātēm. Lai racionalizētu iepirkuma un ražošanas procesu, tika izstrādātas detalizētas tehniskās specifikācijas.

Tika veikta sistēmas testēšana. Tika izmantotas īpašas testēšanas metodes, tostarp inžektoru testēšana testēšanas stendā un iesmidzināšanas sistēmas testēšana simulētā attiecīgā vidē, kas ir līdzīga modernizētajam lokomotīves motoram.  Testēšanas rezultāti apliecināja atbilstību tehniskajām specifikācijām un mērķa konstrukcijas un veiktspējas prasībām. Mērķa izstrāde un veiktspējas parametri tika pilnībā sasniegti. Ūdeņraža iesmidzināšanas sistēmu testē un validē attiecībā uz piemērojamību manevru lokomotīvei ICE, kas modernizēta ar ūdeņradi.

Projektā laika posmā 01.01.2024. – 31.03.2024 tika veikti šādi darbi:

Izstrādātsts tehniskais dizains ūdeņraža dzinēja padeves, drošības un elektrisko apakšsistēmu prototips, kas nepieciešams H2 iesmidzināšanas sistēmas prototipa uzstādīšanai:

1.Ūdeņraža dzinēja gaisa padeves sistēma gaisa un degvielas attiecības pārvaldībai un drošības izslēgšanai. Izstrādātais modulis ļaus sasniegt vislabāko degvielas patēriņa efektivitāti, pārvaldot gaisa masas plūsmu, kas nepieciešama optimālai ūdeņraža degvielas sadedzināšanai.

2.H2 dzinēja ūdeņraža padeves moduļi – ICE priekškamera. Izstrādātā priekškamera ļaus nodrošināt viendabīgu ūdeņraža maisījumu, ko injicē izstrādātā H2 iesmidzināšanas sistēma un daudzpunktu aizdedzes avots sadegšanas kameras iekšpusē.

3.Tika izstrādāts tehniskais dizains iesmidzināšanas sistēmas padeves kolektoram. Lai palielinātu drošību un atvieglotu piekļuvi un apkopi, padeves līnijas daļa tika uzstādīta zem cilindru galvas vākiem. Tika integrēti drošības sensori un vārsti.

4.Elektrisko sistēmu cauruļvadi tika izstrādāti un integrēti esošajā EMD 645 dzinēja konstrukcijā.

5.Tika izstrādātas tehniskās specifikācijas, tostarp tehnoloģiskais ražošanas process, BOM, materiālu prasības.

6.Ūdeņraža padeves akumulācijas sistēma, ieskaitot nepieciešamās santehnikas sastāvdaļas un lokomotīvju borta uzglabāšanas un barošanas sistēmu konstrukcijas rāmi, tika izstrādāta un pamatota ar visaptverošu tehnisko dokumentāciju – rasējumiem, stiprības un noguruma aprēķiniem, materiālu specifikācijām, kas nodrošina izsmeļošu atbilstības atbilstības pierādījumu.

Projektā laika posmā 01.03.2024. – 31.06.2024 tika veikti šādi darbi:

Pārskata periods aptver projekta 1.uzdevumu 5.aktivitāte. Uzdevums tika izpildīts saskaņā ar sākotnēji plānoto grafiku un projekta mērķi pārskata periodā tika sasniegti.

Izpildīto uzdevumu rezultātā tika izstrādāts tehniskais ziņojums par ūdeņraža dzinēju pievades, drošības sistēmas un elektrisko apakšsistēmu tehniskā projekta/dizaina eksperimentālo izstrādi.

Jo īpaši tika izstrādāts ūdeņraža dzinēja padeves, drošības un elektrisko apakšsistēmu prototips, kas nepieciešams H2 iesmidzināšanas sistēmas prototipa uzstādīšanai:

Ūdeņraža dzinēja gaisa padeves sistēma gaisa un degvielas attiecības pārvaldībai un drošības izslēgšanai. Izstrādātais modulis ļaus sasniegt vislabāko degvielas patēriņa efektivitāti, pārvaldot optimālai ūdeņraža degvielas sadedzināšanai nepieciešamo gaisa masas plūsmu un nodrošinot drošības funkciju, lai novērstu dzinēja izsīkšanu.

H2 dzinēja ūdeņraža padeves moduļi – ICE priekškamera. Izstrādātā priekškamera ļaus nodrošināt viendabīgu ūdeņraža maisījumu, ko injicē izstrādātā H2 iesmidzināšanas sistēma un daudzpunktu aizdedzes avots sadegšanas kameras iekšpusē.

Tika izstrādāts iesmidzināšanas sistēmas padeves kolektors. Lai palielinātu drošību un atvieglotu piekļuvi un apkopi, daļa padeves līnijas tika uzstādīta zem cilindru galvas vākiem. Tika integrēti drošības sensori un vārsti.

Elektrisko sistēmu cauruļvadi tika izstrādāti un integrēti esošajā EMD 645 dzinēja konstrukcijā.

Ūdeņraža padeves akumulācijas sistēma, ieskaitot nepieciešamās santehnikas sastāvdaļas un lokomotīvju borta uzglabāšanas un barošanas sistēmu konstrukcijas rāmi, tika izstrādāta un pamatota ar visaptverošu tehnisko dokumentāciju – rasējumiem, stiprības un noguruma aprēķiniem, materiālu specifikācijām, kas nodrošina izsmeļošu atbilstības atbilstības pierādījumu.

Tika izstrādātas tehniskās specifikācijas, tostarp tehnoloģiskais ražošanas process, MK, materiālu prasības.