ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ» (ОмГУПС (ОмИИТ)) Кафедра «Локомотивы» ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ. ТОКСИЧНОСТЬ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ. ТЕПЛОВОЗ ТЭМ19, ТЭМ18Г, 2ТЭ116Г Тематический реферат по дисциплине «Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости» Студент гр.78-ЛТ Шифр Ц-ЛТ-80062 Мешков А. Ю. ____________2022 Руководитель – доцент кафедры «Локомотивы» Милютина Л. В. _____________2022 Омск 2022 ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ................................................................................................................... 3 1. Устройство и принцип работы двигателей на газообразном топливе ........... 4 2. Токсичность газообразных топлив ................................................................... 9 3. Тепловоз ТЭМ19, ТЭМ18Г, 2ТЭ116Г ............................................................. 11 Заключение ............................................................................................................ 16 Библиографический список ................................................................................. 17 2 ВВЕДЕНИЕ Газовый двигатель — двигатель внутреннего сгорания, использующий газ в качестве альтернативного топлива: природный газ (метан), сжиженные углеводородные газы (пропан–бутан), или генераторный газ. Как правило, газовые двигатели редко выпускаются серийно, за исключением применения их для специализированных задач в науке и технике. Эти двигатели имеют широкое применение, как для транспортных средств, так и, например, в электростанциях малой и средней мощности, использующих в качестве топлива природный газ (в области высоких мощностей безраздельно властвуют газотурбинные энергоблоки), что обусловлено следующими преимуществами: – максимально полное сгорание топлива – следовательно, снижается количество вредных выбросов, что особенно важно для крупных городов, где вопросы экологии имеют первостепенное значение; – снижение нагарообразования на поверхности поршней цилиндров, камеры сгорания и свечей двигателей; – отсутствие конденсации топлива в цилиндрах двигателя (пары сжиженных газов перегреты), при этом не происходит смыва масляной плёнки с поверхности поршней и цилиндров, что значительно увеличивает срок службы двигателя; – высокие антидетонационные свойства газомоторного топлива по сравнению с бензином, что повышает мощность двигателя и снижает удельный расход топлива. Таким образом, целью работы является описание принципа работы двигателей на газообразном топливе и токсичность газообразных топлив, анализ тепловозов ТЭМ19, ТЭМ18Г, 2ТЭ116Г. 3 1. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ НА ГАЗООБРАЗНОМ ТОПЛИВЕ Газовый двигатель – особый вид двигателя внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, работающий по циклу Отто. Газовые двигатели чаще всего работают на пропане, а иногда на попутных (нефтяных), сжиженном, доменных, генераторных и других видах газообразного топлива [1]. Цикл Отто – процесс, описывающий термодинамическую работу ДВС, с воспламенение сжатой смеси с помощью стороннего источника энергии (свечи зажигания). Принципиальное отличие газовых двигателей от бензиновых и дизельных заключается в более высокой степени сжатия. Применение газа позволяет избежать излишнего износа деталей, так как процессы сгорания топливовоздушной смеси происходят более правильно, благодаря исходному (газообразному) состоянию топлива. Также газовые двигатели более экономичны, так как газ стоит дешевле нефти и легче добывается. К преимуществам двигателей на газообразном топливе стоит отнести безопасность и бездымность выхлопа, что делает их незаменимыми при использовании на погрузчиках в больших складах, а также под землей и на общественном транспорте. Сами по себе газовые двигатели редко выпускаются серийно, чаще всего они появляются после переделки традиционных ДВС, путем оборудования их специальным газовым оборудованием. Двигатели, работающие на газовом топливе, относятся к тепловым двигателям с принудительным воспламенением рабочей смеси, т. е. используют искровое зажигание, как и бензиновые двигатели, поэтому оценивать достоинства и недостатки газообразного топлива объективнее в сравнении с бензином. 4 Газовый двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания, который используется в газовой отрасли промышленности. Работает такой агрегат на доменном, сжатом или природном газе, а также на любом газообразном топливе [2]. Классификация двигателей делит их на такие виды: – двигатели с искровым зажиганием. – двигатели с воспламенением смеси. – газодизельные двигатели. Вид используемого газового двигателя зависит от условий и типа эксплуатации. Как правило, в металлургии для привода воздуха применяют двигатели газовой промышленности, которые работают на доменном газе. Такой тип оборудования редко применяют в нефтяной промышленности, вместо него используют двигатели, которые работают на природном газе. Двигатели на природном газе гораздо лучше показали себя в технологии перекачки и транспортировки нефтепродуктов. В отдельных случаях используют двигатели, в которых в качестве топлива – сжиженный газ. Это оптимальное оборудование, так как в процессе работы оно оказывает минимальное воздействие на окружающую среду, такие двигатели обеспечивают практически полную безвредность и бездымность выхлопных газов. Этот вид оборудования также называют жидкотопливным. Газовые двигатели перед жидкотопливными имеют несколько неоспоримых преимуществ – они обладают большим сроком эксплуатации, так как имеют совершенным меньший износ основных смесеобразованием и более деталей, они обладают эффективным сгоранием. Двигатели жидкотопливного типа имеют такие преимущества, как высокая степень сжатия топлива, малое количество вредных примесей в выхлопных газах. Автомобиль, оснащённый газобаллонным оборудованием (ГБО), использует в качестве топлива или СУГ (сжиженные углеводородные газы, 5 представляющие из себя пропан–бутановую смесь), или КПГ (компримированный природный газ). СУГ на автомобиле находится в баллонах под давлением до 16 атмосфер (баллон рассчитан на максимальное давление 25 атмосфер), установленных на раме, под полом салона автобуса или на его крыше, или в багажнике легкового автомобиля. На баллоны для СУГ устанавливается специальный мультиклапан, через который производится заправка баллона и отбор газа в топливную систему двигателя. газобаллонного Мультиклапан оборудования, является важным обеспечивающим его компонентом безопасное использование. Он включает в себя: – заправочный и расходный вентиль; – указатель уровня газа в баллоне. Представляет собой поплавок на рычаге, находящийся внутри баллона, и связанный с ним стрелочный индикатор либо электронную схему, передающую информацию о положении поплавка на индикатор внутри салона автомобиля; – обратный клапан в заправочной магистрали, предотвращающий вытекание газа через неё; – скоростной клапан в расходной магистрали, перекрывающий подачу газа при превышении его расходом некоторого порогового значения. Порог подобран так, чтобы клапан закрывался только при разрыве расходной магистрали (предотвращая, таким образом, сильную утечку газа), и оставался открытым при обычном уровне расхода газа. Стопорный клапан, предотвращающий наполнение баллона газом более чем на 80–90 %%. Клапан находится в заправочной магистрали и закрывается при достижении указанной степени заполнения баллона. Ограничение максимального наполнения баллона необходимо для предотвращения чрезмерного повышения давления в нём в случае нагрева (например, на солнце в жаркую погоду) 6 Мультиклапан также может содержать в себе предохранительный клапан (стравливает газ при высоком давлении, например при перегреве баллона), пробку из легкоплавкого сплава (не допустить взрыва баллона при пожаре, сбросить газ в атмосферу, чтобы он просто сгорел) и дополнительный вентиль для отбора в двигатель паровой фазы при запуске холодного двигателя. Однако, наличие данных компонентов в мультиклапане не обязательно. КПГ находится под давлением до 200 атмосфер. Несколько баллонов объединены в общую магистраль, имеется общий заправочный вентиль, каждый баллон также имеет собственный вентиль. Газ из общей магистрали поступает в испаритель (подогреватель) — теплообменник, включён в систему жидкостного охлаждения, после прогрева двигателя газ подогревается (сжиженный газ испаряется) до температуры ≈75 °C. Далее газ проходит через магистральный фильтр. Затем газ поступает в двухступенчатый газовый редуктор, где его давление снижается до рабочего. Современные газовые редукторы обычно совмещают эти два устройства (испаритель и собственно редуктор) в едином устройстве. Далее, газ поступает в смеситель (или в карбюратор–смеситель или в смесительную проставку под штатным карбюратором, определяется конструкцией топливной аппаратуры). В силу того, что в смесителе происходит смешивание двух газов, их конструкция существенно проще чем конструкция бензиновых карбюраторов, в которых происходит смешивание двух разных фаз — жидкой (бензин) и газообразной (воздух), из–за чего в конструкции карбюратора имеются довольно сложные системы для поддержания постоянного состава смеси при разных расходах. Двигатели разделяются на: – специальные (или модифицированные), предназначенные только для работы на газе, бензин используется краткосрочно при неисправности газовой аппаратуры, когда нет возможности произвести ремонт на месте; 7 – универсальные, рассчитанные на длительную работу как на газе, так и на бензине. Бензобак и топливный насос на автомобилях с газовыми двигателями сохраняются. В холодное время года запуск двигателя, работающего на сжиженном газе, производится путём отбора паровой фазы, после прогрева испарителя происходит переключение на жидкую фазу. Однако, для бензиновых двигателей, переоборудованных для работе на газообразном топливе, крайне рекомендуется пуск двигателя осуществлять на бензине, а на газ двигатель переключать после прогрева до температуры 40–50 °C. 8 2. ТОКСИЧНОСТЬ ГАЗООБРАЗНЫХ ТОПЛИВ Газовое топливо представляет собой смесь различных горючих и негорючих газов с небольшой примесью водяных паров, смолы и пыли. Основными горючими составляющими большинства газообразных топлив являются предельные углеводороды метанового ряда, а также водород, оксид углерода и сероводород. Негорючий балласт газообразного топлива состоит из двуокиси углерода, азота и кислорода [1, 3]. К естественным газам относятся природный и попутный газ, выделяющийся при извлечении нефти на поверхность. Искусственные горючие газы являются топливом местного значения. К ним относятся генераторный, коксовый и доменный газы. Генераторный газ получают путем неполного сжигания твердого топлива. Коксовый и доменный газы являются отходами коксовых и доменных печей. В промышленных паровых котлах, парогенераторах и водогрейных котлах главным образом используются природные и попутные газы. Природные и попутные газы представляют собой смеси углеводородов метанового ряда и балластных негорючих газов. В природных газах значительно больше метана, чем в попутных. Содержание метана в некоторых природных газах доходит до 98 %. Попутные газы содержат меньше метана, но больше высокомолекулярных углеводородов. Углеводороды метанового ряда обычно называют предельными, в них использованы все четыре валентности углерода. Они имеют общую эмпирическую формулу СnН2n+2. Основными представителями предельных углеводородов являются: метан (СН4), этан (С2Н6), пропан (С3Н8), бутан (С4Н8), пентан (C5H12) и т. д. При нормальных условиях (давление 101,08 кПа и температура 0°С) первые члены ряда до бутана включительно представляют собой газы, не имеющие цвета и запаха, а последующие – жидкости. 9 Весьма важными свойствами газообразного топлива, влияющими на условия его использования, являются токсичность и взрываемость. Искусственные газы токсичны вследствие содержания в них оксида углерода (СО). Природные и попутные газы нетоксичны, однако высокомолекулярные предельные углеводороды при заметных концентрациях обладают наркотическими свойствами. Так, например, содержание в воздухе 10 % пропана или бутана вызывает при вдыхании головокружение. В природных газах Среднего Поволжья, Башкирии и некоторых других нередко содержится сероводород (H2S). По своему действию на человека сероводород является сильным ядом, поражающим нервную систему. Он агрессивно действует также на металлы. Допустимая концентрация сероводорода в газе, поступающем в городские сети, не более 2 г на 100 м3. Газ вместе с воздухом, при определенных концентрациях образует взрывные смеси, т. е. такие, которые способны воспламеняться при зажигании. Взрываемость газовоздушных смесей характеризуют нижним и верхним пределом воспламенения или взрываемости. Нижним пределом взрываемости называется минимальная концентрация газа в газовоздушной смеси, при которой возможно ее воспламенение. Верхним пределом взрываемости называется максимальная концентрация газа в газовоздушной смеси, при которой возможно ее воспламенение. Таким образом, воспламенение газа возможно только в определенных границах содержания его в воздухе. С точки зрения взрываемости более опасными следует считать те горючие газы, которые имеют самый низкий предел взрываемости или самый широкий диапазон пределов взрываемости. Для определения утечки газа в сжиженный газ добавляют 60–90 г газа. 10 3. ТЕПЛОВОЗ ТЭМ19, ТЭМ18Г, 2ТЭ116Г Все локомотивы, перевозящие грузы и пассажиров по железным дорогам страны, классифицируются на электровозы и тепловозы. Первые используются там, где проложены ЛЭП. Тепловозы применяют в основном для перевозки грузов в отдаленные неэлектрифицированные районы [4]. Тягловые двигатели локомотивов этой группы также работают на электричестве. Однако при этом такие машины являются полностью автономными. Дело в том, что электроэнергия в данном случае передается на двигатели от генератора, установленного на валу дизеля. Тепловозы, в свою очередь, классифицируются на поездные, промышленные и маневровые. ТЭМ19 — Тепловоз с Электрической передачей, Маневровый, тип – 19 (рис. 1). Опытный маневровый тепловоз, который имеет газопоршневой двигатель 491ГД с мощностью 1197 л.с. Рис. 1. ТЭМ19–001 Этот двигатель работает на сжиженном природном газе (СПГ). Использование в качестве топлива СПГ позволяет существенно удешевить эксплуатацию и снижает объём вредных выбросов в атмосферу. Конструкция тепловоза имеет одну кабину управления, машинное отделение с двигателем и бак для хранения топлива. В заглушенном 11 состоянии криогенная установка хранения топлива нагревается и газ внутри расширяется. Бак имеет рабочее давление 4,5 атмосферы и максимально допустимое 6 атмосфер. Это требует дополнительное слежение, чтобы сбрасывать газ в атмосферу (опасно и запрещено) или перекачивать в другие хранилища. Особенности конструкции тепловоза: – по конструкции разделён на 3 части: топливный резервуар, движущая установка и кабина; – тепловоз блочный и его компоненты легко заменяются; – применён газопоршневой двигатель мощностью 1197 л.с., работающий на сжиженном газе по циклу Отто. ТЭМ18Г– маневровый газотепловоз (рис. 2). Газотепловоз ТЭМ18Г – односекционный локомотив с электрической передачей постоянного тока. Он предназначен для выполнения маневровой, вывозной и легкой магистральной работы на железнодорожных линиях ОАО «РЖД», а также путях промышленных предприятий в районах с умеренным климатом при температуре окружающей среды от минус 50 до плюс 40 °С. Рис. 2. Газотепловоз ТЭМ18Г–001 12 Особенностью газотепловоза является его способность в диапазоне 4–й по 8–ю позицию контроллера работать на сжатом природном газе с добавлением запальной порции дизельного топлива или полностью на последнем. Для пуска дизеля и его работы до 3–ей позиции используется только дизельное топливо. В режиме работы на дизельном топливе газотепловоз работает, как и обычный тепловоз с 0–й по 8–ю позиции контроллера. Использование природного газа в качестве моторного топлива потребовало разместить на газотепловозе дополнительное оборудование, которое раньше не применялось на маневровых тепловозах. Это емкости для хранения природного газа, газовая арматура и трубопровод газа, блоки системы взрывобезопасности, система электропитания отдельных потребителей собственных нужд переменным трехфазным током, электро– вентиляторы системы вентиляции помещений капота газотепловоза и др. Управляют газотепловозом из кабины машиниста, где расположен пульт. На последнем установлены контроллер машиниста и другие приборы управления, а также контрольно–измерительные приборы, позволяющие следить за работой силовой установки и тормозного оборудования. Чтобы повысить удобство управления газотепловозом одним машинистом, кроме основного пульта, дистанционный сделаны привод дополнительные контроллера. Они пульты управления позволяют и управлять контроллером с обоих сторон кабины машиниста. Для обогрева кабины в зимнее время предусмотрены калорифер и батарея обогрева ног машиниста. Газодизель–генератор является источником электрической энергии для тяговых двигателей, приводящих в движение колесные пары через зубчатую передачу. Тяговый генератор служит также для пуска газодизеля. При этом генератор работает в режиме электродвигателя, получая питание с аккумуляторной батареи, расположенной в отдельном помещении за кабиной машиниста. Кроме того, аккумуляторная освещения тепловоза на стоянках. 13 батарея используется для Тепловоз 2ТЭ116Г – работающий на природном газе (Рис.3). С виду он ничем не отличается от основной линейки своих собратьев 2ТЭ116, но он имеет длинную секцию посередине (которую назвали криогенной), и две секции 2ТЭ116 с двух сторон. Функциональное назначение секции – хранить сжиженный газ при температуре –160 градусов Цельсия. Рис.3. Тепловоз 2ТЭ116Г–0001 Если есть газ, значит, речь идет об использовании этого вида топлива вместо солярки. В 1980 начались опыты по созданию систем и двигателей, которые способны работать на природном газе. Есть самая главная проблема, которую пришлось решать — газ под давлением не имеет практического смысла, так как количество его запасов на борту будет все равно недостаточным для значимого перемещения одно тепловоза. Но сжиженный газ – другое дело. Приличный вес такого газа можно взять с собой, и если его превращать по дороге в газообразное состояние и подавать в силовую установку, то можно довольно долго это делать. Луганскому заводу СССР было доверено производить опыты по созданию газового «монстра» железных дорог, то и выбор модели был предопределён – тепловоз 2ТЭ116. Приставка Г означает Газ, были разработаны новые дизеля, а точнее газотопливные установки. Совсем отказаться от «соляры» не получилось, но её использование было лишь в целях воспламенителя газа, свечей зажигания для этой цели 14 предусмотрено не было, а газ не воспламеняется от давления. В цилиндры подавалась смесь воздуха солярки и газа. Газ штука крайне взрывоопасная от любой искры. А что такое тепловоз и железная дорога – это кругом одни только факторы для возникновения этих искр. В целях пожаробезопасности тепловоза в нем были расставлены очень чувствительные газоанализаторы, а средняя секция полностью дистанционно расцеплялась от первой секции и второй. В 1987 году данный тепловоз впервые появился на свет, съездил на выставки, покрасовался везде, и отправился на испытания. Именно из–за страха взрыва испытания проходили на специально построенной дороге в заброшенном карьере. Испытания тепловоз провалил, расчетная мощность в 3060 лс достигнута не была даже на половину. 356 тонная трехсекционная махина, длиной 59 метров не смогла развить заявленную скорость в 100 км/час. Потом были неудачные попытки построить газотепловоз но уже на других моделях тепловозов. Однако получилось это сделать относительно истории лишь совсем недавно. 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Газовое топливо представляет собой смесь различных горючих и негорючих газов с небольшой примесью водяных паров, смолы и пыли. Основными горючими составляющими большинства газообразных топлив являются предельные углеводороды метанового ряда, а также водород, оксид углерода и сероводород. Негорючий балласт газообразного топлива состоит из двуокиси углерода, азота и кислорода. Все локомотивы, перевозящие грузы и пассажиров по железным дорогам страны, классифицируются на электровозы и тепловозы. Первые используются там, где проложены ЛЭП. Тепловозы применяют в основном для перевозки грузов в отдаленные неэлектрифицированные районы. У маневрового эко тепловоза ТЭД19 главной отличительной особенностью является газопоршневой двигатель, работающий полностью на природном газе. Природный газ на борту хранится в сжиженном состоянии, т.к. это позволяет существенно сократить требуемый объём хранения. 16 Библиографический список 1. Белоусов, В.Н. Топливо и теория горения. Часть II. Теория горения / В.Н. Белоусов, С.Н. Смородин, О.С. Смирнова. – Учебное пособие: СПб, 2011. – 142 с. 2. Про поезда. Railtrain.pro [Электронный ресурс] – Режим доступа: https://railtrain.pro/tyem18 (дата обращения: 01.10.2021 г.) 3. Коломиец, П.В. Топливо: конспект лекций по дисциплине «Химмотология» / П.В. Коломиец. – Тольятти: ТГУ, 2011. – 59 с. : обл 4. Тепловоз [Электронный 2ТЭ116Г, работающий на ресурс] – Режим https://dvizhenie24.ru/railway/teplovoz–na–gaze–2te116g/ 01.10.2021 г.) 17 природном (дата газе доступа: обращения:
