ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОВОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ТРАКТОРЕ МТЗ-82 «БЕЛАРУС»

Введение. В условиях ужесточения требований к экологической безопасности и энергоэффективности сельскохозяйственной техники одной из ключевых задач аграрного сектора является снижение топливных затрат и уменьшение негативного воздействия на окружающую среду. Значительная часть парка машин в сельском хозяйстве России представлена дизельными тракторами, работающими на традиционном моторном топливе. При всех своих достоинствах – надежности, технологичности и ремонтопригодности – дизельные двигатели характеризуются высоким уровнем выбросов оксидов азота, твердых частиц, а также зависимостью от рынка нефтепродуктов.

В этих условиях особую актуальность приобретает поиск альтернативных видов моторного топлива. Одним из наиболее перспективных направлений является использование сжатого природного газа (СПГ, метана) в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Метан обладает высоким октановым числом, относительно низкой стоимостью и позволяет существенно снизить токсичность отработавших газов по сравнению с традиционным дизельным топливом. Трактор МТЗ-82 «Беларус», являясь одной из самых распространенных машин в агропромышленном комплексе России и стран СНГ, представляет собой удобную и технически оправданную платформу для апробации и внедрения технологий газомоторного топлива [2, стр. 15].

Цель работы. Повышение экономичности и экологичности трактора МТЗ-82 за счет перевода его двигателя на метановое топливо и обоснование целесообразности применения метанового двигателя в условиях аграрного производства.

Материалы и методы исследования. В качестве объекта исследования выбран трактор МТЗ-82 с базовым дизельным четырехцилиндровым рядным двигателем Д-243-91. Данный двигатель имеет рабочий объем 4,75 л, номинальную мощность 81 л.с., отличается простотой конструкции и высокой ремонтопригодностью. Вместе с тем он характеризуется относительно высоким удельным расходом дизельного топлива и уровнем выбросов, который не в полной мере соответствует современным экологическим требованиям.

Для трактора МТЗ-82 рассматриваются два основных подхода к переводу на метановое топливо: полный перевод на метан с заменой или глубокой модернизацией дизельного двигателя, реализацией искрового зажигания и изменением степени сжатия; работа по газодизельному циклу, когда метан подается во впускной тракт, а дизельное топливо используется в качестве запальной порции (20–30 %) для обеспечения воспламенения смеси.

Аппаратно-техническая часть исследования.

Перевод двигателя Д-243-91 на метановое топливо предполагает проведение комплекса конструктивных мероприятий, включающих:

1. Установку комплекта ГБО, включающего баллоны для хранения сжатого природного газа, магистрали высокого давления, запорную арматуру, редуктор высокого давления, газовый редуктор-испаритель, дозатор-смеситель (или форсунки) и электронный блок управления.

2. Замену топливной аппаратуры дизельного двигателя системой зажигания (свечи зажигания, катушки, высоковольтные провода) и газовыми форсунками при распределенном или фазированном впрыске метана.

3. Корректировку степени сжатия и параметров рабочего процесса для оптимизации сгорания метановоздушной смеси с учетом высокого октанового числа газа [4, стр. 80].

Программно-алгоритмическая часть исследования.

Схематично система питания метанового двигателя на базе МТЗ-82 может быть представлена в виде последовательности: газовые баллоны → магистраль высокого давления → редуктор-испаритель → магистраль низкого давления → дозирующий орган (смеситель или газовые форсунки) → впускной коллектор → цилиндры двигателя. Управление подачей топлива осуществляется электронным блоком управления, который получает сигналы от датчиков и реализует алгоритм оптимального дозирования метана.

Были разработаны алгоритмы расчета ключевых показателей эффективности:

1. Экономическая эффективность (снижение стоимости моточаса).

2. Экологическая эффективность (снижение выбросов вредных веществ).

3. Ресурсная эффективность (увеличение межремонтного интервала).

 

Таблица 1.

Сравнительная характеристика дизельного и метанового двигателя

Показатель	Дизельный ДВС	Метановый ДВС
Удельный эффективный расход топлива, г/кВт·ч	230	260
Стоимость топлива, руб./кВт·ч	6,5	3,0
Снижение выбросов CO₂, %	0	20
Снижение выбросов NOx, %	0	15
Снижение выбросов твёрдых частиц, %	0	90

 

Рисунок 1. Сравнение технико-экономических показателей дизельного и метанового ДВС

Результаты исследования. Анализ данных таблицы 1 показывает, что при переходе с базового дизельного двигателя Д-243-91 на метановый двигатель удельный эффективный расход топлива несколько возрастает (с 230 до 260 г/кВт·ч), однако это компенсируется существенно более низкой стоимостью единицы энергии метана. В результате суммарные затраты на выполнение единицы механической работы снижаются, что и обеспечивает экономический эффект от использования газомоторного топлива [3, стр. 5].

Внедрение комплексной системы газового питания на тракторе МТЗ-82 показало следующие результаты:

1. Снижение эксплуатационных затрат. Система с использованием метана позволила снизить стоимость моточаса на 50–60% за счет более низкой цены метана по сравнению с дизельным топливом при сопоставимом энергетическом содержании топлива.

2. Улучшение экологических показателей. Существенно снизились выбросы твердых частиц (на 90%), оксидов азота (на 15%) и углекислого газа (на 20%), что положительно влияет на экологическую ситуацию в сельской местности.

3. Повышение ресурса двигателя. Более мягкий характер сгорания газовоздушной смеси и отсутствие тяжелых фракций топлива привели к увеличению межремонтного ресурса двигателя на 15-20%.

4. Экономический эффект. При годовой наработке трактора 800–1000 моточасов окупаемость затрат на переоборудование достигается в течение 2-3 лет эксплуатации за счет экономии на топливе.

Ключевыми проблемами при внедрении метановых двигателей являются:

- Снижение мощностных характеристик на 10–15% из-за меньшей объемной энергоемкости газовоздушной смеси по сравнению с дизельным режимом работы.

- Увеличение массы трактора и сокращение полезного пространства вследствие установки тяжелых и габаритных газовых баллонов.

- Необходимость развитой инфраструктуры газозаправочных станций в сельской местности.

- Повышенные требования к безопасности при эксплуатации газобаллонной техники [5, стр. 18].

Выводы. Перевод трактора МТЗ-82 «Беларус» на метановое топливо является перспективным направлением повышения конкурентоспособности и экологической устойчивости сельского хозяйства за счет снижения эксплуатационных затрат и уменьшения вредных выбросов. Модернизация базового дизельного двигателя Д-243-91 путем установки газобаллонного оборудования, системы зажигания и электронной системы управления подачей газа технически реализуема и позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя на метане.

С экономической точки зрения применение метана позволяет снизить стоимость моточаса на 50–60%, увеличить межремонтный ресурс двигателя и уменьшить затраты на техническое обслуживание при достаточном годовом фонде работы трактора.

С экологической точки зрения переход на метан способствует снижению совокупной нагрузки на окружающую среду в зоне работы сельхозтехники, что особенно важно для регионов с интенсивным аграрным производством.

Дальнейшими направлениями исследований являются разработка типовых комплектов переоборудования тракторов семейства «Беларус» на метановое топливо, оптимизация рабочих процессов метановых двигателей с наддувом, а также оценка долговременной надежности и безопасности эксплуатации газомоторной сельскохозяйственной техники.