Щоб прогодувати зростаюче людство, світове сільське господарство має забезпечувати постійно зростаючий продукт. Основною машиною для сільськогосподарських робіт є трактор. Кількість використовуваних тракторів постійно зростає, наразі щороку на Землі виробляється два мільйони електростанцій. Через очікуване зниження видобутку нафти, робота тракторів зміститься в бік альтернативного двигуна протягом наступного десятиліття. Обсяги запасів природного газу набагато вищі за запаси нафти, що є однією з причин, чому інтерес звернувся на двигуни на природному газі.
Загальновідомо, що сира нафта, яка палить сучасні транспортні засоби, рано чи пізно закінчується. Обсяги видобутку нафти протягом десяти років не зможуть встигнути за зростаючим попитом. З можливим видобутком нетрадиційних джерел нафти (наприклад, сланців), на щастя, людству буде доступна значна кількість сирої сировини приблизно протягом ста років.
Поступове підвищення ціни на сиру нафту сприятиме переходу на альтернативні види палива та альтернативні рушійні системи (наприклад, електричні) для дорожніх транспортних засобів, промислових мобільних машин та сільськогосподарських електростанцій.
Двигуни внутрішнього згоряння працювали на газі (освітлювальний газ) при народженні. Домінуючим паливом стали дешевий та недорогий бензин, а згодом і дизельне мазут. Знову очікується використання газових двигунів внутрішнього згоряння.
Природний газ як паливо
Вміст метану в природному газі зазвичай становить 95-98%, а решта - це етан, пропан, бутан, вуглекислий газ та азот. Метан (CH4) є хорошим моторним паливом, повітряно-метанова суміш може запалюватися іскровим запалюванням, його октанове число перевищує 120, 1 кг метану становить 1,408 Нм 3 (норма кубічних метрів), теплотворна здатність чистого метану становить 32,7 МДж/Нм 3 .
Природний газ використовується як паливо для двигуна внутрішнього згоряння у двох формах: СПГ (стислий природний газ) при 200-250 бар і скраплений природний газ (СПГ) при -162 o C при 1 бар або -125 o C при 10 бар температура нижче. Зберігання природного газу в транспортному засобі непросте. Для зберігання СПГ потрібні великі резервуари, стійкі до тиску, тоді як для зберігання СПГ потрібні технічний термос та кріотенк.
Через «забруднюючих речовин» (етан, пропан, бутан) можливо, що середній вміст енергії в кубічному метрі природного газу вищий, ніж у чистому метані, як правило, 33-35 МДж/Нм 3. Припускаючи теплотворну здатність 34 МДж для природного газу та щільність 0,78 кг/Нм 3, теплотворна здатність 1 кг СПГ становить 43,59 МДж/кг. 1 кг СПГ можна придбати на заправній станції (в Угорщині їх 10) приблизно за приблизно Еквівалентно 1,5 літрам дизельного палива. Очищений СПГ на основі біогазу майже повністю складається з метану та невеликої кількості залишкового вуглекислого газу.
Кількість запасів природного газу набагато перевищує запаси нафти. Ціна на природний газ порівняно нижча, ніж на звичайний дизель, а двигун має нижчі викиди при використанні. Це одна з причин, чому виробники та оператори легкових та комерційних транспортних засобів (автобуси, вантажівки, міські комунальні транспортні засоби) звернулися до природного газу.
В даний час лише декілька виробників тракторів займаються використанням палива на природному газі. В Угорщині ще не випробувано жодного трактора на природному газі. Основні промислові компанії з дизельними двигунами роблять двигуни на природному газі для сільського господарства. Двигуни на природному газі також можуть працювати на метановому газі та стисненому біогазі. У наш час розроблено кілька типів методів роботи природного газу (метану) двигунів внутрішнього згоряння, це такі: чисто природний газ, змішані та дворежимні конструкції.
Фігура 1. Схема конструкції двигуна з іскровим запалюванням, що працює на метані (Джерело: www.auto.bme.hu)
Чисто природний газовий (Mono Fuel) двигун
Двигун на природному газі може базуватися як на дизельному, так і на двигуні Отто. Природний газ можна змішувати з повітрям у впускному колекторі або вводити у впускний колектор перед клапаном або вводити безпосередньо в камеру згоряння двигуна.
Суміш природного газу і повітря важче запалюється, ніж напр. дизельно-повітряної суміші, тому під час проектування дизельного двигуна, на додаток до модифікації системи подачі палива, двигун повинен забезпечуватися електричним іскровим запалюванням (рисунок 1).
Малюнок 2. Двигун CNG Cummins ISX 12G 298 кВт (400 к.с.) (Джерело: www.cumminswestport.com)
Малюнок 3. Cummins ISX 12 G Двигун CNG Двигун для природного газу Змішувач повітря (Джерело: www.cumminswestport.com)
Змішувальний клапан використовується для отримання газоповітряної суміші після дросельної заслінки. Двигун по суті працює як двигун Отто з регулюванням гучності. Серія ISX американських двигунів природного газу Cummins для сільськогосподарської техніки також має таку конструкцію (рисунок 2). Головка змішування природного газу та повітря цих двигунів зображена на малюнку 3. З малюнка видно, що на змішувальній голівці використовується кілька датчиків для обслуговування вдосконаленої електроніки управління двигуном та отримання ідеальної стехіометричної газоповітряної суміші.
Малюнок 4. Запалювання суміші природного газу та повітря із свічкою розжарювання (Джерело: www.westport.com)
Пряма подача газоподібного палива в камеру згоряння нещодавно здійснюється за допомогою газового інжектора (CNG-DI), завдяки контролю якого здійснюється контроль якості, двигун працює як дизельний двигун. Запалювання суміші природного газу та повітря, засноване на патенті від Вестпорта, Канада (Запалення на гарячому покритті), сприяє використанню постійної свічки розжарювання 1100-1400 0 C для дизельних двигунів (Рисунок 4).
Малюнок 5. Діаграма потоку форсунок Westport HPDI (Джерело: www.westport.com) 1. Дизельна голка; 2. корпус форсунки; 3. голка природного газу
Малюнок 6. Delphi та Westport спільно розробили інжектори HPDI (Джерело: www.westport.com)
У разі прямого впорскування оптимальне запалювання суміші природного газу і повітря в камері згоряння також може бути досягнуто шляхом першого впорскування невеликої кількості (пілотного) дизельного палива до кінця циклу стиснення для початку горіння, а потім негайно впорскуванням повного робочого газу (рис. 5). рисунок). Вестпорт називає цю технологію «рідкої свічки запалювання» HPPI (Пряме впорскування високого тиску). Революційна запатентована форсунка має подвійну конструкцію голки, а електроніка управління двигуном подає електричні імпульси до двох магнітних котушок для відкриття голок. Інжектор HPDI, спільно розроблений Delphi та Westport, вже має версію HPDI v 0.2 у версії другого покоління (рис. 6). Це рішення не означає змішану або подвійну роботу, оскільки більше 95% кінетичної енергії, яку забезпечує двигун, надходить із природного газу.
Змішаний газовий двигун на природному газі
Гібридний двигун на природному газі використовує як природний газ, так і дизель, тому його також називають «дизельно-газовим двигуном». Конструкція двигуна дуже проста, оскільки базовий дизельний двигун доповнений пристроєм, який подає природний газ у впускний колектор. Звичайно, у разі змішаного двигуна на природному газі додаткове запальне обладнання не потрібно, і якщо природний газ закінчується, двигун може продовжувати працювати з меншою потужністю, поки не з’явиться дизельне паливо.
У разі змішаного двигуна на природному газі кількість природного газу, виражена через вміст енергії, дає 10-35% загальної енергії. Економія пального нижча, але викиди шкідливих вихлопних газів значно нижчі для дизельних двигунів. Угорська влада також не підтримує використання гібридних двигунів на природному газі в технології дорожніх транспортних засобів.
Малюнок 7. Схема системи подачі палива подвійної паливної системи Bosch (Джерело: Bosch) 1. регулятор тиску газу; 2. датчик тиску та температури повітря; 3. дросельний клапан; 4. турборегулюючий клапан; 5. Лямбда-зонд; 6. Контролер СПГ; 7. дизельний контролер; 8. Балон для СПГ; 9. датчик швидкості; 10. педаль акселератора; 11. Форсунка СПГ; 12. датчик детонації; 13. датчик температури; 14. дизельний інжектор; 15. датчик детонації; 16. насос високого тиску; 17. дизельний загальний патрубок; 18. фільтр дизельного палива; 19. каталізатор окислення; 20. бак для дизельного палива; 21. датчик тиску і температури; 22. Колектор СПГ
Двопаливний двигун
Двопаливний газовий двигун працює спільно з дизелем та природним газом і може працювати лише на дизелі. На рисунку 7 представлена схема системи подачі палива подвійної паливної системи Bosch, згідно з якою система подачі палива по загальній рейці дизельного двигуна з прямим впорскуванням (справа) доповнена системою впорскування природного газу (посередині на малюнку ). За допомогою цієї системи подачі палива, двопаливний газовий двигун запускається як дизельний двигун і після прогріву перемикається на прибл. 15% дизельного палива та 85% природного газу для змішаної експлуатації. Подачу природного газу можна відключити, і двигун продовжить працювати в повному режимі дизеля. Якщо у вас закінчився природний газ, ви все одно можете працювати на тракторі з таким двигуном. Що стосується варіантів заправки, такий транспортний засіб можна заправити майже де завгодно, тому це може бути найбільш практичним технічним рішенням на початку використання тракторів із природним газом. Нижче наведено деякі найбільш відомі трактори на природному газі.
Малюнок 8. Трактор Valtra N103.4 HiTech з подвійним паливом (Джерело: www.landtechnikmagazin.de)
Valtra N103.4 Подвійне паливо HiTech
У 2009 році Valtra представила перший двопаливний трактор з подвійним паливом, розроблений з N101. З тих пір фабрика пропонує на продаж членів HiTech Hi-Tech T133, а останнім часом подвійне паливо серії N103.4, N113 та N123 у обмежених кількостях.
Дизельний двигун трактора “Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel” (рис. 8) також оснащений системою подачі біометанового палива. Завдяки конструкції подвійного палива в композитних резервуарах під тиском 200 бар можна заправити 162 літри біометану або СПГ. Двигун запускається в режимі дизеля і переходить на подвійний режим роботи 17% дизеля та 83% газу при досягненні робочої температури. 4-циліндровий 4,4-літровий двигун з турбонаддувом забезпечує 89 кВт (121 к. С.) (Аналогічно дизельній версії) та забезпечує 20-35% економії пального при використанні подвійного палива. Трактор може в будь-який час перевести двигун назад на чисту роботу дизеля.
Малюнок 9. Трактор New Holland T6.180 Methane Power (Джерело: www.newholland.com)
Малюнок 10. Двигун на природному газі FPT із позначенням серії NEF 6 NG (Джерело: www.fptindustrial.com)
New Holland T6.180 Потужність метану
Компанія New Holland виготовляє трактори для СПГ та біометану. На SIMA 2017 було представлено трактор другого покоління New Holland T6.180 Methane Power (рисунок 9). Двигун трактора - двигун на природному газі FPT (серія NEF 6 NG) (рис. 10) із іскровим запалюванням, турбонаддувом 132 кВт (179 к.с.). Трактор має 9 шт. У бензобаці можна зберігати 300 літрів (52 кг) СПГ або концентрованого біометану, чого вистачає приблизно на шість годин роботи. У порівнянні зі звичайним дизельним двигуном, New Holland заявляє, що цей трактор може заощадити до 25% на витратах пального, викидаючи на 80% менше CO2. Компанія каже, що викиди вихлопних газів відповідають нормам V стадії, що набувають чинності найближчим часом.
Малюнок 11. Легкий універсальний трактор Agromash 85TK METHANE (Джерело: www.agromash.com)
Агромаш 85ТК МЕТАН
Тракторний завод "Агромаш" в російському місті Чебоксари випускає два типи метанових тракторів послідовно. Більш потужний тип має маркування “Агромаш 85ТК МЕТАН” (Малюнок 11). Двигун полегшеного універсального трактора з повним приводом - це 4-тактний газовий двигун із іскровим запаленням із повітряним охолодженням, 4-циліндровий D145TG. Двигун забезпечує 60,7 кВт (82,5 к.с.) при 2100 об/хв.
Малюнок 12. Трактор Steyr Profi 4135 Natural Power з природним газом (Джерело: www.steyr-traktoren.com)
Steyr Profi 4135 Natural Power
Трактор Steyr Profi 4135 Natural Power надзвичайно екологічний. З двигуном Fiat FPT, що працює на чистому природному газі (Mono Fuel), вихідний вихлопний газ виділяє на 99% менше твердих частинок, 95% менше оксидів азоту та 25% менше викидів CO2 порівняно з дизельним режимом. Згідно з попередніми австрійськими вимірами, цей газовий трактор може заощадити майже 40% витрат на паливо порівняно зі своїми дизельними аналогами.
Малюнок 13. Універсальний трактор Deutz-Fahr Agrotron 5120C methaangas (Джерело: www.agrifoto.nl)
Deutz-Fahr 5120C
На виставці Agritechnica 2015 компанія SAME Deutz-Fahr представила прототип трактора, що працює на СПГ, із маркою “D-F Agrotron 5120C metahangas” (рис. 14). Трактор оснащений 3,6-літровим двигуном Deutz TCD потужністю 90 кВт (122 к.с.) з газовим двигуном з іскровим запалюванням. 8 шт. У баку для СПГ (об'ємом 316 літрів) прибл. Можна зберігати 60 кг СПГ, чого достатньо для 6-8 годин сільськогосподарських робіт. Екологічно чистий двигун також відповідає розробленим екологічним стандартам Stage V, використовуючи оптимізований метаном триходовий каталізатор, систему AdBlue або систему фільтрування твердих частинок. Використання СПГ дозволяє заощадити 30-40% на витратах пального порівняно з роботою на дизелі.
Доктор Вільмос Варга
SZIE Машинобудівний факультет, кафедра транспортних технологій,
Гедельйо