Первый в мире маневровый газопоршневой тепловоз ТЭМ19. "Техника железных дорог". 26 ноября 2015

Е.С.Васюков, главный конструктор АО «УК «Брянский машиностроительный завод» (БМЗ) Для решения задач по снижению себестоимости перевозок, повышению их эффективности и уменьшению негативного воздействия железнодорожного транспорта на окружающую среду в 2013 году была начата работа по созданию маневрового газопоршневого тепловоза ТЭМ19 (рис. 1). Этот проект является совместной разработкой ОАО «РЖД» (ОАО «ВНИКТИ») и конструкторов АО «УК «БМЗ». К 2030 году ОАО «РЖД» планирует замещение 30% потребляемого тепловозами дизельного топлива природным газом.
Предпосылки создания

Рис. 1. Газопоршневой тепловоз ТЭМ19-2
В текущем году начата реализация государственной подпрограммы (В рамках Государственной программы Российской Федерации «Внедрение газомоторной техники с разделением на отдельные подпрограммы по автомобильному, железнодорожному, морскому, речному, авиационному транспорту и технике специального назначения») по снижению потребления дизельного топлива на железнодорожном транспорте в рамках Программы развития транспортной системы России. Цель – поэтапное замещение тягового подвижного состава, работающего на традиционных видах топлива, тяговым подвижным составом, работающем на газомоторном топливе.
АО «УК «БМЗ» уже имеет положительный опыт проектирования и постройки маневровых тепловозов, работающих на газовом топливе. В 1997-1998 годах было сконструировано и изготовлено два тепловоза ТЭМ18Г (№ 001 и 002, рис. 2).

Рис. 2. Тепловоз ТЭМ18Г АО «УК БМЗ», 1998 год
С октября 2000 года газотепловозы ТЭМ18Г поступили в опытную эксплуатацию на станцию Ховрино Октябрьской железной дороги.
Оба локомотива созданы на основе тепловоза ТЭМ18. Запас сжатого природного газа под давлением до 20 МПа (200 кгс/см2) хранится на газотепловозе в блоке баллонов. Емкость каждого из 17 баллонов составляет 200 дм3 (л). В систему газодизеля газ поступает из блока баллонов через редукторы 1-й, 2-й и 3-й ступеней и три газоподогревателя.
В качестве топлива в ТЭМ18Г используется компримированный природный газ с воспламенением от запальной порции дизельного топлива. Начиная с 4-й позиции контроллера при работе под нагрузкой автоматически включается подача газа. По материалам ОАО «ВНИИЖТ», величина замещения дизельного топлива природным газом достигала 45-50%. Возимый запас природного газа обеспечивает работу газотепловоза в течение 2,5 суток.
Главное отличие газопоршневого маневрового тепловоза ТЭМ19 от ранее созданных моделей ТЭМ18Г в том, что локомотив является первым и единственным на сегодня тепловозом, газопоршневой двигатель которого работает исключительно на природном газе без дополнительного использования дизельного топлива. Это позволяет существенно снизить эксплуатационные расходы за счет использования экономичного газового топлива и возможного отключения двигателя на длительный период в холодное время года, связанное с использованием антифриза в качестве охлаждающей жидкости. Кроме этого, выбросы вредных веществ, таких как окись азота, по сравнению с тепловозами, работающими на дизельном топливе, меньше на 96%.
Углекислого газа при работе двигателя образуется меньше на 91%, а углеводородов – на 95%.
Маневровый тепловоз ТЭМ19 с газопоршневой силовой установкой, работающей на природном газе, мощностью 880 кВт (1 197 л.с.) и электрической передачей переменно-постоянного тока предназначен для выполнения маневровой работы на железнодорожных путях колеи 1520 мм в районах с умеренным климатом по ГОСТ 16350 и ГОСТ 15150 (исполнение У, категория 1) с температурой окружающего воздуха от +40 °С до -50 °С.
Технические характеристики тепловоза приведены в таблице 1.
Табл. 1. Технические характеристики ТЭМ19

Конструктивные особенности ТЭМ19 сконструирован на базе ходовой части хорошо зарекомендовавшего себя тепловоза ТЭМ18ДМ. Кузов  – капотного типа, состоит из модулей: кабины машиниста;
криогенной установки с системой газоподготовки и подачи природного газа; дизель-генераторной установки; холодильной камеры и тормозного оборудования; аппаратной камеры; вспомогательного оборудования, расположенного под рамой тепловоза. Модульный принцип компоновки тепловоза существенно упрощает выполнение его технического обслуживания и ремонта.
Важно, что тепловоз более чем на 90% состоит из комплектующих отечественного производства. Проведена работа по импортозамещению, возможно изготовление тепловозов полностью из отечественных комплектующих.
Кабина машиниста в ТЭМ19 отвечает требованиям СП 2.5.1336 и оборудована системой обеспечения микроклимата.
Безопасность движения обеспечивается прямодействующим локомотивным и автоматическим пневматическим поездным тормозом, ручным стояночным тормозом;
автоматической системой газо- и пожарообнаружения. Машинист в работе может использовать двухдиапазонную радиостанцию технологической радиосвязи (гектометровый и метровый диапазоны). На тепловозе установлена система безопасности с регистрацией параметров движения, которая содержит локомотивную сигнализацию АЛСН-1Д с КПД-3ПВ и телемеханическую систему контроля бодрствования машиниста ТСКБМ. Многофункциональная микропроцессорная система управления, регулирования и диагностики отображает информацию на дисплее пульта управления.
На тепловозе применены системы учета расхода газового топлива, самоторможения при расцепе, датчик обрыва тормозной магистрали, а также другие системы, предусмотренные требованиями действующей нормативной документации.
Двигатель
При создании тепловоза одними из главных задач стали обеспечение работы двигателя с использованием газа на малой частоте вращения и устойчивая работа при отключении части цилиндров на холостом ходу. На тепловозе впервые применен газопоршневой двигательгенератор производства ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» ГДГ800Т в составе газопоршневого двигателя 8ГЧН21/26 (рис. 3) с искровым форкамерно-факельным зажиганием с рядным расположением цилиндров. Мощность двигателя разбита по передачам. Переменный режим работы двигателя позволяет ему работать от 100-1 000 об./мин, что дополнительно экономит топливо.

Для предпускового подогрева теплоносителей газопоршневого двигателя при отстое тепловоза в «горячем резерве» применена система прогрева от внешнего источника питания.
Хранение топлива и заправка Вторая задача – то, каким образом должно храниться топливо на тепловозе. Для решения этого вопроса в передней части локомотива установлена съемная криогенная емкость с запасом сжиженного природного газа, которого хватает на 5 суток (8 смен) без дополнительных дозаправок.

Криогенная емкость (сосуд Дьюара) хранит газ в течение 40 суток, что позволяет заправлять одновременно до 6 сменных картриджей-сосудов из метановоза, и имеет крепление стандартного 20-футового контейнера, которое обеспечивает быстрый съем с газотепловоза пустой емкости и установку заправленной за 20 мин.
Это дает возможность заправлять одновременно до 6 сменных картриджей-сосудов из метановоза.
Замена криогенной емкости происходит довольно просто: разъединяется только трубопровод подачи газа с дальнейшей переустановкой емкости. Это решение принадлежит российским машиностроителям. Использование съемных цистернконтейнеров с топливом, размещаемых на открытом пространстве, позволяет сократить время экипировки локомотива,
снизить затраты на инфраструктуру, повысить безопасность эксплуатации и обслуживания тепловоза.
Кроме этого, заправка возможна непосредственно из метановоза или на газозаправочной станции.
Процесс заправки локомотива происходит следующим образом. На модуле криогенной емкости предусмотрен специальный заправочный клапан, куда присоединяется подающий трубопровод с ГРС (газораспределительная станция) или метановоз. Со второго клапана он отводится, и происходит процесс захолаживания емкости, то есть подается сжиженный газ, так как пустая емкость имеет температуру выше подаваемого газа. Испаряясь, газ охлаждает емкость и уже в газообразном состоянии возвращается назад, то есть заправка происходит без потерь топлива.
Далее, когда емкость приобретает температуру газа, подается сжиженный газ. В верхней части емкости всегда остается так называемая газовая подушка  – порядка 5-7% от объема.
Под криогенной емкостью расположены ресивер газовый жидкостной с теплообменником для преобразования газа из жидкой формы в газообразную и подачи его в газопоршневой двигатель (рис. 4). Для повышения коэффициента использования мощности тепловоза в конструкции ТЭМ19 были применены следующие решения: система охлаждения теплоносителей газопоршневого двигателя закрытого типа с принудительной циркуляцией охлаждающей жидкости, асинхронный привод моторвентиляторов охлаждения холодильной камеры, электрических машин и агрегатов, винтовой компрессорный агрегат с блоком подготовки сжатого воздуха и др.
В конструкции радиальных вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей, тягового и вспомогательного выпрямителей использован асинхронный привод. Также установлен модульный компрессорный агрегат с винтовым компрессором АКРВ3,2-10-1000 производительностью 3,2 м3 /мин с приводом от электродвигателя постоянного тока.
Тележки с МОП качения
Две трехосные тележки содержат колесно-моторные блоки (рис. 5). Для снижения эксплуатационных затрат применены моторно-осевые подшипники качения.
Их использование в конструкции локомотивов МОП качения уже доказало свою эффективность. Так, максимальный нагрев МОП качения не превысил 53 °С. За период опытной эксплуатации на пяти тепловозах ТЭМ18ДМ не выявлено признаков выброса смазки из редуктора и МОП. Результаты анализа состава смазки «Буксол» и наличия в ней механических примесей по всем параметрам соответствовали установленным нормам по ТУ на смазку. Рабочее состояние МОП подтверждено результатами комплексных проверок и результатами проведенной вибродиагностики.

Перспективы
В сентябре 2015 года на выставке Expo 1520 АО «УК «БМЗ» вручили сертификат на соответствие тепловоза ТЭМ19 требованиям Технического регламента Таможенного союза «О безопасности железнодорожного подвижного состава» (ТР ТС 001/2011). В соответствии с этим документом тепловоз получил законные права для эксплуатации на путях ОАО «РЖД». Тепловоз ТЭМ19 был передан на Свердловскую железную дорогу 10 ноября. Потребность ОАО «РЖД» только на Свердловской железной дороге в таких тепловозах согласно плану закупки до 2025 года составляет более 50 единиц.
В настоящее время идет предконтрактная работа по поставке следующего экземпляра, который будет передан ОАО «РЖД» в 2016 году. Планируется, что его эффективность в зависимости от загрузки повысится в 2 раза и заправка будет осуществляться один раз в 14 смен.