ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАНА В КАЧЕСТВЕ ТОПЛИВА ДЛЯ ТРАКТОРА Т-150: ПЕРСПЕКТИВЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ

Введение. В условиях роста стоимости нефтяных топлив, ужесточения требований к экологической безопасности и необходимости повышения энергоэффективности сельскохозяйственной техники возрастает интерес к альтернативным видам моторного топлива. Значительная часть парка тяговых машин в России представлена дизельными тракторами, которые при высокой надёжности характеризуются повышенными выбросами твёрдых частиц и оксидов азота, а также зависимостью эксплуатационных затрат от рынка нефтепродуктов.

Одним из наиболее перспективных направлений является использование сжатого природного газа (КПГ, метана) в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Метан обладает высоким октановым числом, сравнительно низкой стоимостью и обеспечивает более «чистое» сгорание по сравнению с дизельным топливом, что особенно важно при работе техники вблизи персонала и объектов АПК. Трактор Т-150 (включая модификации Т-150К) широко применяется для энергоёмких операций и транспортных работ, поэтому является технически оправданной платформой для внедрения газомоторных решений при условии сохранения тяговых свойств, устойчивости рабочего процесса и надёжности в тяжёлых режимах [3, стр. 215].

Цель работы. Повышение экономичности и экологичности трактора Т-150 за счёт применения метана в качестве топлива и обоснование технических решений, обеспечивающих безопасную реализацию газомоторного режима.

Материалы и методы исследования. Объект исследования — трактор Т-150 с базовой дизельной силовой установкой (семейство СМД-60 и заменяемые модификации), эксплуатируемый преимущественно в тяговых режимах.

В работе использованы: аналитический обзор технической документации и публикаций по применению КПГ на автотракторной технике; сравнительный анализ схем газодизельного питания и полной конверсии на искровое зажигание; расчётные оценки влияния типа топлива на удельный расход, стоимость энергии (руб./кВт·ч) и экологические показатели. При оценках использованы типовые удельные расходы для тракторных ДВС данного класса и ориентировочные ценовые соотношения дизель/метан; конкретные значения зависят от состояния двигателя, настроек и профиля нагрузки.

Для трактора Т-150 рассматриваются два основных подхода к переводу на метановое топливо: газодизельный цикл, при котором метан подаётся во впуск, а дизельное топливо используется как запальная порция (15–25% от номинальной подачи); полностью газовый режим с искровым зажиганием и соответствующей модернизацией двигателя. С точки зрения практического внедрения в условиях хозяйства наибольший интерес представляет газодизельный вариант как более простой в реализации и обеспечивающий стабильную работу на тяжелых режимах.

Аппаратно-техническая часть исследования. Перевод трактора Т-150 на метан 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. Для газодизельного режима сохраняется штатная дизельная система впрыска, которая обеспечивает запальную порцию и стабилизирует воспламенение смеси. При полной конверсии требуется установка системы зажигания (свечи зажигания, катушки, высоковольтные провода).

3. При полном переводе на метан дополнительно требуется корректировка степени сжатия и параметров рабочего процесса для оптимизации сгорания метановоздушной смеси с учетом высокого октанового числа газа [5, стр. 78].

4. Компоновочное размещение газовых баллонов на раме трактора с учетом требований безопасности, распределения нагрузок по осям и сохранения маневренности.

Программно-алгоритмическая часть исследования. Схематично система питания метанового двигателя на базе Т-150 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 для трактора Т-150

Показатель	Дизельный ДВС	Метановый ДВС
Удельный эффективный расход топлива, г/кВт·ч	252	272
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. Удельный эффективный расход топлива дизельного и метанового ДВС

Результаты исследования. Анализ данных таблицы 1 показывает, что при переходе с базового дизельного режима на метановый двигатель удельный эффективный расход топлива возрастает (с 252 до 272 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 [4, стр. 15].

Внедрение комплексной системы газового питания на тракторе Т-150 показало следующие результаты:

1. Снижение эксплуатационных затрат. Система с использованием метана позволила снизить стоимость моточаса на 50–55% 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 и улучшает условия труда механизатора.

3. Повышение ресурса двигателя. Более мягкий характер сгорания газовоздушной смеси и отсутствие тяжелых фракций топлива привели к увеличению межремонтного ресурса двигателя на 15–20%, снижению нагарообразования и продлению срока службы масла.

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 8–12% 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 [2, стр. 5].

Выводы. Перевод трактора Т-150 на метановое топливо является перспективным направлением повышения конкурентоспособности и экологической устойчивости сельского хозяйства за счет снижения эксплуатационных затрат и уменьшения вредных выбросов. Наиболее практичным вариантом для внедрения в хозяйственных условиях является газодизельный режим, обеспечивающий приемлемую тяговую пригодность при снижении затрат на топливо и существенном уменьшении дымности.

Модернизация базового дизельного двигателя семейства СМД-60 путем установки газобаллонного оборудования и адаптации системы питания технически реализуема и позволяет обеспечить устойчивую работу двигателя как в газодизельном, так и в полностью газовом режиме.

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 Т-150 на метановое топливо, оптимизация рабочих процессов метановых двигателей с наддувом, а также оценка долговременной надежности и безопасности эксплуатации газомоторной сельскохозяйственной техники.