Природный газ как топливо для тепловозов

В прошлом номере газеты мы обещали читателям рассказать о новых газотепловозах, создаваемых во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТе)». Долгое время об использовании природного газа в качестве топлива для железнодорожного транспорта никто не вспоминал, действующие модели первых работающих на газе машин утилизировали (см. «Энергетика и промышленность России» № 1 за 2005 г., материал «Короткий век газотурбовозов»). Однако со временем, с развитием новых технологий, использование этого топлива стало не только вновь актуально, но и перспективно.

Применение природного газа на тепловозах в качестве моторного топлива преследует несколько целей: экономию средств на приобретение топлива, поскольку цена эквивалентного количества газа значительно (до 50%) ниже, чем дизельного топлива; снижение вредных выбросов в атмосферу (при работе на природном газе токсичность значительно ниже); обеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе.

Исследования по созданию маневрового газотепловоза были начаты ВНИИЖТом по инициативе МПС в 1987 г. При содействии локомотивного депо Москва-3 был переоборудован серийный маневровый тепловоз ТЭМ2У для работы на сжатом природном газе. В 1989 г. он был испытан и продемонстрирован в действии, после чего МПС приняло решение о постройке опытной партии маневровых газотепловозов на Брянском машиностроительном заводе. Газодизель-генератор для этого тепловоза был заказан Пензенскому дизельному заводу.

В течение нескольких лет на макетном газотепловозе производилась доводка газодизель-генератора ГДГ-50. Испытаниям подверглись различные схемы газоподачи и смесеобразования. Они позволили не только проверить работоспособность этих схем, но и выработать технические решения для основных узлов газоподготовки на тепловозе. В 1995 г. доводочные работы были закончены, ГДГ-50 прошел приемочные межведомственные испытания и был рекомендован для применения на опытных газотепловозах ТЭМ18Г.

В 1997-1998 гг. на ОАО «Брянский машиностроительный завод» были построены два опытных маневровых газотепловоза ТЭМ18Г мощностью 882 кВт.

Дизель-генераторы этих тепловозов работают на сжатом компримированном природном газе (КПГ) с подачей в цилиндры запальной порции дизельного топлива (15%). Принятая схема газификации тепловозов обеспечивает минимальные затраты на переоборудование серийного дизель-генератора для работы на газе, конвертируемость дизеля при обратном переходе на дизельное топливо, возможность использования для снабжения газом разветвленной сети автомобильных газонаполнительных компрессорных станций, готовность газа к подаче в цилиндры дизеля (в отличие от сжиженного газа, для которого требуется применение испарителя).

Преобразование типового дизель-генератора 1-ПДГ4А в газодизель-генератор ГДГ-50 проведено с минимальными конструктивными изменениями и максимальной унификацией. На газодизель-генераторе использованы основные штатные узлы дизель-генератора 1- ПДГ4А с доработкой некоторых из них под установку газоподающей аппаратуры, исполнительных систем аварийно-предупредительной сигнализации и защиты, приборов контроля системы подачи газа и показателей работы двигателя.

Система топливоподачи отличается от примененной на базовой модификации дизель-генератора наличием дополнительного топливного трубопровода для охлаждения форсунок.

Система подачи газа на дизель состоит из газового коллектора, дозаторов и газовых клапанов. Газ из газовой системы тепловоза подается при определенном давлении через регулятор в газовый коллектор, затем в дозаторы и далее к газовым клапанам. Из газовых клапанов газ поступает во впускные каналы крышек цилиндров газодизеля и далее в камеры сгорания цилиндров.

Управление механизмами подачи газа и жидкого топлива осуществляется от тепловозной схемы управления газодизелем путем подачи питания на соответствующие электропневматические вентили.

Доводка рабочего процесса газодизеля производилась на реостатном стенде Экспериментального кольца ВНИИЖТа.

В результате были установлены оптимальные фазы открытия и закрытия газовых клапанов, углы опережения подачи запальной порции дизельного топлива, ее минимальные значения, обеспечивающие устойчивое воспламенение газо-воздушной смеси в цилиндре, значения давления газа в газовом коллекторе дизеля.

На газодизель-генераторе предусмотрены также дополнительные системы защиты и аварийно-предупредительной сигнализации. Он оборудован штатным предельным выключателем и исполнительными механизмами, обеспечивающими в случае превышения допустимой частоты вращения остановку двигателя путем прекращения подачи газа, жидкого топлива и воздуха в цилиндры.

Эффективная мощность газодизеля соответствует мощности серийного дизеля ПДГ4А, удельный расход топлива не превышает допустимого по техническим требованиям, а при работе на природном газе с подачей запальной порции дизельного топлива почти на всех режимах ниже, чем при работе только на дизельном топливе.

Токсичность по выбросу СО и NO при переводе эксплуатируемого тепловоза на природный газ снижается в 1,5-2 раза.

В конце 2000 г. после ряда штатных испытаний газотепловозы ТЭМ18Г-001 и 002 были переданы для опытной эксплуатации в депо Ховрино Октябрьской дороги. Результаты испытаний показали, что замещение дизельного топлива газом составляет в зависимости от вида маневров от 35 до 50%, несмотря на характерную для маневровых тепловозов преимущественную работу на малых нагрузках и длительную работу на холостом ходу. При существующих ценах экономия средств составляет 17-25 %, что существенно влияет на эксплуатационные расходы.

В процессе опытной эксплуатации были выявлены технологические и конструктивные недостатки отдельных узлов газодизеля. Однако в целом газовая система работоспособна, плотность газопроводов и арматуры высокого давления надежно обеспечивается.

С учетом выявленных в эксплуатации недостатков активно ведутся работы по совершенствованию газодизеля и всего тепловоза. Модернизирована система охлаждения форсунок, разрабатывается новая конструкция газового клапана, изготовлен новый регулятор рабочего давления, усовершенствована конструкция инвертора. ВНИИЖТом ведутся испытания электронно-управляемой системы подачи газа и дизельного топлива с целью расширения диапазона режимов работы двигателя на газе.

Канд. техн. наук Г. А. ФОФАНОВ, ВНИИЖТ

Источник: http://www.eprussia.ru