Вестник ВНИИЖТ, 2002, № 4
УДК 662.76:629.424.1
Канд. техн. наук Г. А. ФОФАНОВ, ВНИИЖТ МПС России
Природный газ — моторное топливо для тепловозов
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 с выпускными газами дизелей, так как при работе на природном газе их токсичность значительно ниже, чем при работе на дизельном топливе, а дымность (сажа) меньше на порядок; обеспечение устойчивого топливоснабжения тепловозов в перспективе с учетом динамики изменения добычи нефти и газа, их сравнительных запасов и прогнозов истощения месторождений.
Актуальность этой проблемы определена правительственными документами: федеральной целевой программой «Топливо и энергия» и Концепцией энергетической политики России в новых экономических условиях.
Работы по созданию газотепловозов были начаты в конце 80-х годов. На Луганском тепловозостроительном заводе были построены три опытных газодизельных тепловоза: два 2ТЭ10Г и один 2ТЭ116Г. Каждый газотепловоз состоит из двух тяговых секций и одного тендера с двумя криогенными емкостями для размещения сжиженного природного газа. На тепловозах 2ТЭ10Г в качестве силового агрегата применен двухтактный газодизель типа 10Д100 постройки Харьковского завода, на тепловозе 2ТЭ116Г — четырехтактный дизель типа Д49 постройки Коломенского завода. Испытания этих газотепловозов показали необходимость доводки газодизелей обеих серий. Выявлен ряд недостатков в конструкции криогенного тендера. В последующие годы газотепловозы 2ТЭ10Г оказались в собственности Украины, и их доводка не производилась. Работы по газодизелю 1ГДГ тепловоза 2ТЭ116Г (рис. 1) велись при ограниченном финансировании, однако позволили найти технические решения, обеспечивающие модернизированную доводку. В настоящее время во ВНИИЖТе ведутся испытания газодизеля. При выделении необходимых средств создание опытного газотепловоза может быть завершено в кратчайшие сроки.
Рис. 1. Магистральный газотепловоз 2ТЭ116Г
Исследования по созданию маневрового газотепловоза были начаты по инициативе МПС в 1987 г., в конце которого ВНИИЖТом 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 в 1990 г. МПС было принято решение о постройке опытной партии маневровых газотепловозов на Брянском машиностроительном заводе (ОАО «БМЗ»). Газодизель-генератор для этого тепловоза заказан Пензенскому дизельному заводу (ОАО «ПДЗ»). В течение нескольких последующих лет на макетном газотепловозе производилась доводка газодизель-генератора ГДГ-50. Испытаниям подверглись различные схемы газоподачи и смесеобразования. Испытания позволили не только выбрать указанные схемы и проверить их работоспособность, но и выработать технические решения для основных узлов газоподготовки на тепловозе. В 1995 г. доводочные работы были закончены, газодизель-генератор ГДГ-50 прошел приемочные межведомственные испытания и был рекомендован для применения на опытных газотепловозах ТЭМ18Г (рис. 2).
Рис. 2. Газотепловоз 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 следующее:
• минимальные затраты на переоборудование серийного дизель-генератора для работы на газе;
• конвертируемость дизеля при минимальном повышении удельного расхода топлива (до 3 %) при обратном переходе на дизельное топливо;
• возможность использования для снабжения газом разветвленной сети (около 200 единиц) автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС);
• готовность газа к подаче в цилиндры дизеля, в отличие от сжиженного газа (СПГ), для которого требуется применение испарителя; это обеспечивает быстрое протекание переходных процессов (до 10 с) при изменении режима работы: число переключений контроллера машиниста на маневровом тепловозе достигает 100 в 1 ч.
В основу конструкции газодизеля был положен макетный образец, разработанный во Всероссийском научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ) для маневрового тепловоза ТЭМ2У; использовались также результаты испытаний.
В ходе проектирования газодизель-генератора ГДГ-50 были приняты следующие конструктивные решения:
• организация работы дизеля по газодизельному процессу с подачей запальной порции дизельного топлива серийным топливным насосом высокого давления (ТНВД);
• применение охлаждаемых форсунок, оптимизированных по длине топливных трубок высокого давления для стабилизации подачи запальной порции дизельного топлива;
• привод газовых клапанов от коромысла впускного клапана дизеля;
• подача газа во впускные каналы крышек цилиндров;
• индивидуальная регулировка подачи газа по цилиндрам с помощью дозаторов золотникового типа;
• регулирование давления газа в газовом коллекторе дизеля в зависимости от режима его работы с помощью регулятора рабочего давления непрямого действия;
• несимметричный профиль кулачков распределительного вала, увеличивающий время-сечение открытия газовых клапанов.
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 дизель-генераторе 1-ПДГ4А базовой модификации 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 (в зависимости от позиции контроллера машиниста) через регулятор рабочего давления 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. В целях обеспечения пожаро- и взрывобезопасности электропневматические вентили вынесены за специальную перегородку в кузове тепловоза, отделяющую тяговый генератор, двухмашинный агрегат и высоковольтную камеру с электрической аппаратурой от отсека газодизеля. Люки рамы имеют предохранительные клапаны, оборудованные пламегасящими сетками.
На газодизель-генераторе предусмотрены дополнительные системы защиты и аварийно-предупредительной сигнализации. Газодизель 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.
Газовый коллектор и газоподающая аппаратура газодизеля заключены в специальный вентилируемый кожух.
Принципиальная схема газоподачи приведена на рис. 3.
Рис. 3. Схема газовой системы тепловоза:
1 — газовые баллоны; 2 — отсечные (разрывные) клапаны; 3 — запорный электрогазовый клапан; 4 — газовый редуктор первой ступени;5 — водогазовые теплообменники; 6 — газовый редуктор второй ступени; 7 — расширительный бак; 8 — регулятор рабочего давления; 9 — разгрузочный клапан; 10 — блок управления регулятором рабочего давления; 11 — газовый коллектор; 12 — дозаторы; 13 — газовые клапаны; 14 — дизель.
Запуск дизеля и работа под нагрузкой при низких частотах вращения коленчатого вала осуществляются на дизельном топливе. Переход на работу по газодизельному процессу происходит при работе дизеля под нагрузкой начиная с 4-й позиции контроллера машиниста, при которой частота вращения составляет 400 мин–1.
Доводка рабочего процесса газодизеля производилась на реостатном стенде Экспериментального кольца ВНИИЖТа; опытный дизель-генератор ГДГ-50 был установлен на макетном образце газотепловоза ТЭМ2У, оборудованном необходимыми для испытаний системами.
В результате были установлены оптимальные фазы открытия и закрытия газовых клапанов, углы опережения подачи запальной порции дизельного топлива, ее минимальные значения, обеспечивающие устойчивое воспламенение газовоздушной смеси в цилиндре, значения давления газа в газовом коллекторе дизеля.
В итоге доводочных работ получены показатели, соответствующие ТУ и ТЗ (таблица).
Показатели Обозначение, единица измерения Значение показателя
Эффективная мощность Ne, кВт 880,2
Частота вращения коленчатого вала ng, мин–1 753,1
Часовой расход газа Gг, кг/ч 147,8
Часовой расход дизельного топлива Gт, кг/ч 31,55
Доля дизельного топлива D, % 15,8
Удельный эквивалентный расход топлива, приведенный к теплотворной способности дизельного топлива и к условиям ИСО gе, г/(кВт•ч) 225,3
Температура выпускных газов по цилиндрам t, °C 448 – 501
Максимальное давление сгорания Pz, МПа 8,1 – 8,5
Как видно из таблицы, эффективная мощность газодизеля соответствует мощности серийного дизеля ПД4А, удельный расход топлива не превышает допустимого по техническим требованиям (218+11 г/(кВт•ч)). Остальные показатели работы газодизеля также соответствуют техническим требованиям и техническому заданию.
Полученные значения температуры выпускных газов и максимального давления сгорания практически идентичны этим показателям на серийном дизеле. Разница значений температуры по цилиндрам составляет 53 °C, что больше, чем при дизельном процессе (30 °C), но соответствует требованиям ТЗ.
Что касается расхода топлива при промежуточных режимах работы тепловоза и газодизеля, то, как следует из расходных характеристик (рис. 4), полученных при работе по дизельному и газодизельному циклам, удельный расход топлива при работе на природном газе с подачей запальной порции дизельного топлива почти на всех режимах ниже, чем при работе на дизельном топливе.
Рис. 4. Удельный расход топлива ge при работе в дизельном (1) и газодизельном (2) циклах, приведенный к условиям ТЗ по ИСО 3046/1 – 86 в зависимости от режима работы газодизеля (Ne, nк)
Одной из сложных задач в процессе доводки было обеспечение устойчивой подачи запальной порции дизельного топлива при малых частотах вращения коленчатого вала дизеля. Требование двухтопливности двигателя обусловило применение для подачи запальной порции штатной топливной аппаратуры, которая при малых частотах вращения вала работает нестабильно, с эпизодическими пропусками подачи в отдельных циклах. На ряде индикаторных диаграмм, снятых для газодизеля в режиме холостого хода при частоте вращения 400 мин–1 (рис. 5), видно, что в некоторых циклах из-за пропусков подачи топлива максимальное давление соответствует давлению сжатия, т. е. сгорания топлива не происходит. Для получения устойчивой подачи запальной порции топлива, кроме конструктивных мероприятий, указанных выше, на топливном стенде подбирали комплекты топливной аппаратуры (топливный насос, трубка, форсунка). Подбор выполнялся таким образом, чтобы обеспечивалась стабильная подача запальной порции топлива, а также его равномерная подача по цилиндрам при работе на дизельном топливе во всем диапазоне частот вращения и нагрузок. Окончательная регулировка осуществлялась на работающем газодизеле; стабильность подачи дизельного топлива оценивалась по индикаторным диаграммам.
Рис. 5. Индикаторные диаграммы ряда последовательных циклов
В процессе наладочных и приемочных испытаний производилась оценка приемистости газодизеля и токсичности его выхлопных газов. Оказалось, что система топливоподачи обеспечивает выход газодизеля с минимальной мощности на полную в течение 10 с, т. е. не более, чем на серийном дизеле. Токсичность выпускных газов по выбросу СО и NO при переводе эксплуатируемого тепловоза на природный газ снижается в 1,5...2,0 раза.
В 1995 г. газодизель-генератор ГДГ-50 прошел на Экспериментальном кольце ВНИИЖТа приемочные испытания и был рекомендован для установки на опытной партии газотепловозов ТЭМ18Г. При испытаниях установлено полное соответствие характеристик ГДГ-50 техническим требованиям и техническому заданию. 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 на газ и дизельное топливо экономия средств на их приобретение 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. К настоящему времени на опытных тепловозах модернизирована система охлаждения форсунок, разрабатывается новая конструкция газового клапана, разработан и 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.
Цель опытной эксплуатации — не только выявить и устранить недостатки узлов газодизель-генератора и газотепловоза, но и отработать технологии заправки, обслуживания и ремонта тепловоза, работающего на новом для железнодорожного транспорта топливе — природном газе.
Услуги по ремонту 
