Один из важнейших вопросов хозяйственной деятельности железнодорожного транспорта - рациональное расходование топливно-энергетических ресурсов. Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей дизельного топлива в России. В связи с этим задача снижения расхода топлива на тягу поездов и снижение вредных выбросов за счет перевода на природный газ становится особенно актуальной.

Особое внимание уделяется повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и связанных с ними экологических показателей дизелей тепловозов. Поэтому, перед тепловозостроительными и ремонтными заводами поставлена задача создания и внедрения новых тепловозов, работающих на альтернативных видах топлива, а также модернизация и перевод уже имеющегося парка тепловозов на альтернативные виды топлива. В связи с этим возникают задачи создания систем подачи альтернативных топлив, систем регулирования подачи и дозирования цикловой подачи топлива, а также организация работы дизеля по газодизельному циклу.

Новые системы подачи и средства по дозированию альтернативных топлив, позволяют снизить эксплуатационные расходы на приобретение топлива и уменьшить вредные выбросы. Поэтому исследование путей повышения топливной экономичности и экологически безопасной работы тепловозных дизелей за счет применения новых систем подачи и средств по дозированию и смешиванию альтернативных топлив является актуальной задачей.

Необходимое условие существенных сдвигов в области экономии топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) - это применение более дешевого и менее дефицитного альтернативного топлива на тепловозах в качестве моторного топлива.

Это мероприятие 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.

Разработка

Касательная полезная мощность тепловоза, реализуемая на ободе колес при условии установившегося движения, определяется по формуле:

N_k = N_e · в · з_n

где N_e - эффективная мощность дизеля, N_e = 2200 кВт

в - коэффициент, учитывающий затрату мощности на обслуживании локомотива, в = 0,95;

з_n - коэффициент полезного действия передачи.

Для тепловоза с электрической передачей постоянного или постоянно-переменного тока:

з_n = з_r · з_g · з_зп · з_ву,

з_r - к. п. д. главного генератора, з_r = 0,94;

з_g - к. п. д. тяговых электродвигателей, з_g = 0,94;

з_зп - к. п. д. зубчатой передачи, з_зп = 0,98;

з_ву - к. п. д. выпрямительной установки (если есть), з_ву = 0,99.

з_n = 0,94 · 0,94 · 0,98 · 0,99 = 0,8573

N_k = 2200 · 0,95 · 0,8573 = 1710,3135 кВт

Определение сцепной массы тепловоза.

Железнодорожный транспорт является одним из крупнейших потребителей нефтяного топлива в стране. На осуществление тяги поездов тепловозами расходуется около трёх млн. тонн дизельного топлива в год. При сохраняющейся тенденции увеличения грузопотоков, прогнозируется возрастание этих расходов до пяти млн. тонн в год, поэтому ожидается рост объемов нефтепереработки.

Применение газового топлива на транспорте эффективнее, чем жидкого нефтяного топлива. Экономический эффект от использования 1000 м ³ газа в качестве моторного топлива для автомобилей в пересчете на 1 млн. автомобилей соответствует высвобождению около 10 млн. т. бензина [1].

В качестве источников снабжения газовым моторным топливом можно использовать отдельные малые месторождения газа, не включенные в систему, а также месторождения, находящиеся на завершающей стадии эксплуатации, включая и такие, использование которых для добычи газа стало экономически нерациональным. Эти источники могут обеспечивать топливом транспортные средства почти на всей территории Среднего Поволжья и ряда других регионов.

Реализация перечисленных проектов и удовлетворение народнохозяйственной потребности в моторном топливе за счет природного газа позволят осуществить перелом в обеспечении транспорта топливом, снять ограничения на развитие народного хозяйства из-за нехватки бензина и дизельного топлива.

Таким образом, имеется комплекс факторов, определяющих широкие перспективы применения газового топлива в транспорте.

Растет и цена нефти, которая в современных условиях зависит от рынка (рис. 1.9.).

Рис. 1.9 Динамика мировых цен на нефть 2000-2014 гг.

Указанные обстоятельства ставят перед железнодорожным транспортом задачу обеспечения устойчивого снабжения тепловозов моторным топливом и снижение расходов на его приобретение.

Эта задача может решаться в двух направлениях:

сокращение объемов потребления дизельного топлива за счет повышения топливной экономичности тепловозных силовых установок;

за счет его замещения менее дефицитным и более дешевым альтернативным топливом.

Анализ показывает, что повышение эксплуатационной топливной экономичности тепловозов за счет совершенствования дизелей, внедрения компьютерных систем их управления, снижение мощности вспомогательных агрегатов и ряда других мероприятий, возможно в пределах 10…15%.

Повышение выработки дизельного топлива возможно за счет расширения его фракционного состава (прибавления тяжелых фракций) или увеличения качества переработки нефти. Однако, эта задача не решается нефтеперерабатывающей промышленностью, а для тепловозов применение такого топлива связано со снижением энергоресурса двигателей и затратами на их дооборудование и эксплуатацию.

Из альтернативных топлив, по которым ведутся работы в стране и за рубежом, можно рассматривать синтетические топлива, получаемые из угля, сланцев, природного газа и других материалов. К таким топливам относятся, например, метанол и диметиловый эфир (СН₃-О-СН₃). Диметиловый эфир обладает хорошими моторными и экологическими свойствами и может быть получен в процессе производства метанола. Однако в стране имеются или создаются только опытные установки по производству синтетических топлив и существующие технологические процессы их получения пока экономически не выгодны, так как требуют больших затрат энергии.

Наиболее готовым для применения на тепловозах является природный газ (метан). Более того, энергетические и физические характеристики природного газа - повышенная по сравнению с дизельным топливом на ~ 10% массовая калорийность, улучшенные в 1,5 - 2,0 раза экологические качества (см. табл.1.5.), увеличение срока работы смазочного масла на 30 - 40% - позволяют получить более высокие экономические, экологические и ресурсные показатели работы газодизельных локомотивов

Куйбышевская магистраль предлагает ОАО "РЖД" перевести локомотивы ЧМЭ3 на природный газ