ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА АВТОМОБИЛЯХ «УРАЛ»

Введение. Автомобили семейства «Урал» широко применяются в условиях бездорожья, на строительных площадках, в добывающих отраслях и в коммунальном хозяйстве, где эксплуатационные режимы характеризуются высоким удельным расходом топлива, длительной работой на малых скоростях и повышенными нагрузками. При таких условиях топливная составляющая становится критическим фактором себестоимости работ, а требования к экологичности и безопасности техники постепенно ужесточаются. Природный газ в форме CNG (сжатый метан) и LNG (сжиженный метан) рассматривается как перспективное моторное топливо, позволяющее снизить дымность и выбросы твёрдых частиц и одновременно сократить затраты на топливо при наличии развитой инфраструктуры заправки. Однако для техники «Урал» ключевыми ограничениями остаются запас хода, компоновка баллонов, устойчивость к низким температурам и организационные вопросы эксплуатации. Поэтому повышение эффективности применения природного газа должно рассматриваться как комплекс технических и эксплуатационных решений.

Цель работы

Цель работы – обосновать направления повышения эффективности применения природного газа на автомобилях «Урал» и выполнить расчетно-оценочное сравнение экономического и экологического эффекта при переходе с дизельного топлива на метан (CNG/LNG).

Задачи: 1) выделить факторы, влияющие на эффективность газомоторной эксплуатации в тяжелых условиях; 2) сравнить варианты реализации газомоторного привода (газовый ДВС и газодизельный цикл) и формы хранения (CNG/LNG); 3) выполнить оценку затрат на топливо и срока окупаемости переоборудования; 4) сформулировать практические рекомендации по повышению эффективности и надежности.

Материалы и методы исследования. В работе использованы: аналитический обзор учебной и справочной литературы по газомоторным и газодизельным двигателям; сравнительный анализ схем питания CNG/LNG; расчетно-оценочный метод сопоставления затрат на топливо (руб/100 км) на основе типовых эксплуатационных расходов и усреднённых цен на энергоносители. В качестве показателей эффективности приняты: (а) затраты на топливо на 100 км пробега, (б) относительное снижение выбросов, (в) срок окупаемости переоборудования при разных годовых пробегах.

Примечание: численные значения в расчетной части приведены как ориентировочные для инженерного сравнения (без привязки к конкретной модификации «Урал», маршруту, массе груза и сезонности). В производственных условиях рекомендуется выполнять уточнение по фактическим данным путевых листов и телематики.

Факторы, определяющие эффективность применения природного газа на автомобилях «Урал».

Для тяжелых условий эксплуатации ключевое значение имеют: 1) профиль работы (скорость, холостой ход, доля движения по грунту); 2) требуемый запас хода и доступность заправки; 3) температура окружающей среды и требования к запуску; 4) схема двигателя и управление рабочим процессом (исключение детонации/пропусков воспламенения, ограничение EGT); 5) компоновка и масса газобаллонного оборудования, влияющие на полезную нагрузку и геометрическую проходимость; 6) система контроля расхода топлива и регламент обслуживания ГБО (герметичность, арматура, освидетельствование баллонов). На практике максимальная экономия достигается при сочетании технических решений с организацией топливной логистики и дисциплиной эксплуатации.

Таблица 1.

Сравнение вариантов применения природного газа на автомобиле «Урал» (CNG/LNG и схема двигателя)

Показатель	Дизель	CNG (метан)	LNG (метан)
Запас хода (влияние формы топлива)	Базовый	Ниже без увеличения числа баллонов	Выше, чем у CNG при сопоставимой массе
Компоновка/проходимость	Базовая	Баллоны занимают место, важно защищать от ударов	Криобак требует защиты и теплоизоляции
Стабильность в холоде	Высокая	Требует внимания к арматуре и редуктору	Критичны правила хранения и испарения
Схемадвигателя	Дизельный цикл	Газовый ДВС или газодизель	Газовый ДВС или газодизель
Типичный профиль применения	Универсально	Региональные/вахтовые маршруты с АГНКС	Дальние/длительные маршруты при LNG-инфраструктуре

 

Анализируя данные таблицы можно сказать, что для автомобилей «Урал» эффективность применения газа тесно связана с запасом хода и защитой оборудования. CNG проще по части хранения, но при тяжелых условиях и больших суточных пробегах может потребовать увеличенного объема баллонов. LNG обеспечивает больший пробег, но предъявляет требования к криогенной части и логистике топлива. Выбор схемы двигателя (газовый ДВС или газодизель) определяет компромисс между максимальной экономией и адаптацией к режимам работы.

Исходя из анализа таблицы можно сказать, что для повышения эффективности важно выбирать CNG/LNG под профиль эксплуатации: CNG — при регулярном доступе к АГНКС и возврате на базу; LNG — при необходимости большого запаса хода и наличии крио‑заправок.

Таблица 2.

Расчётно-оценочные затраты на топливо для «Урал» на 100 км пробега (ориентировочно)

Вариант	Расход	Цена топлива	Затраты, руб/100 км	Экономия к дизелю, %
Дизель	45 л/100 км	70 руб/л	3150	0
CNG	50 м³/100 км	25 руб/м³	1250	60
Газодизель	42 м³ + 10 л/100 км	25 руб/м³ + 70 руб/л	1750	44

 

Анализируя данные таблицы можно сказать, что при выбранных ориентировочных ценах и расходах переход на CNG обеспечивает значительную экономию по затратам на 100 км, что особенно важно для «Урал», работающих с высоким расходом топлива в тяжелых режимах. Газодизельный вариант даёт меньшую экономию, но может быть предпочтителен как переходная технология при сохранении характеристик и устойчивости работы на частичных нагрузках.

Исходя из анализа экономический эффект следует оценивать не только по руб/100 км, но и по влиянию на полезную нагрузку, простои на заправку и регламент обслуживания ГБО; максимальный результат достигается при комплексной оптимизации эксплуатации.

Рисунок 1. Сравнение затрат на топливо для дизеля, CNG и газодизельного режима на «Урал» (руб/100 км)

Анализируя график, можно сказать, что основной источник экономии — снижение стоимости энергии топлива при переходе на метан. Для техники «Урал», часто работающей в режимах повышенной нагрузки и на грунтовых дорогах, экономический эффект может быть особенно заметен из‑за высокого базового расхода дизельного топлива.

Исходя из анализа графика можно сказать, что для повышения эффективности необходимо минимизировать непроизводительные расходы: длительный холостой ход, пробуксовку, неправильное давление в шинах и нерациональные маршруты; эти меры усиливают эффект от перехода на газ.

Рисунок 2. Оценка снижения выбросов при переходе с дизеля на природный газ для автомобилей «Урал» (ориентировочно)

Анализируя график, можно сказать, что наиболее существенное снижение достигается по твёрдым частицам (дымность), что важно для работы в населённых пунктах и в местах концентрации техники (карьеры, стройплощадки). Эффект по NOx и CO₂ зависит от настройки рабочего процесса и реальных режимов нагрузки, поэтому при внедрении на предприятии требуется контроль по диагностике и, при необходимости, по экологическим измерениям.

Исходя из анализа графика, можно сказать, что экологический эффект применения метана наиболее заметен в условиях, где критичны дымность и качество воздуха; для автопарков это может снижать экологические риски и повышать соответствие требованиям охраны труда.

Таблица 3.

Мероприятия по повышению эффективности применения природного газа на «Урал»

Направление	Мероприятие	Ожидаемый эффект
Оптимизация рабочего процесса	Калибровка ECU: λ, углы зажигания/впрыска, ограничение детонации, контроль EGT	Снижение удельного расхода, рост надежности
Повышение запаса хода	Выбор CNG/LNG под маршрут, оптимизация компоновки баллонов, защита от повреждений	Сокращение простоев и рисков
Снижение потерь на движении	Контроль давления шин, выбор шин под грунт/сезон, уменьшение холостого хода	Снижение руб/км
Топливный контроль	Телематика, нормирование расхода, выявление утечек и перерасхода	Сокращение непроизводительных потерь
Сервис и безопасность	Регламент ГБО: герметичность, арматура, освидетельствование баллонов, обучение персонала	Снижение отказов и аварийности
Логистика заправки	Планирование маршрутов под АГНКС/ЛНГ, резервирование заправок, мобильные решения	Рост коэффициента готовности

 

Анализируя данные таблицы, можно сказать, что для техники «Урал» в тяжелых условиях максимальный эффект достигается при одновременной реализации технических и организационных мер: оптимизация двигателя без дисциплины заправки и контроля расхода снижает результат. Отдельно важно учитывать безопасность и защищенность оборудования, так как внеплановые ремонты и простои могут «съесть» часть экономии.

Исходя из анализа, можно сделать вывод, что повышение эффективности применения газа на «Урал» следует реализовывать как комплексный проект автопарка, где техническая конверсия подкрепляется логистикой заправки и системой контроля расхода.

Рисунок 3. Срок окупаемости переоборудования «Урал» под CNG в зависимости от годового пробега (оценочно)

Анализируя график, можно сказать, что срок окупаемости существенно зависит от годового пробега: при большом пробеге экономия на топливе быстро компенсирует инвестиции в переоборудование, а при небольшом пробеге важнее учитывать совокупную стоимость владения (обслуживание ГБО, простои на заправку, сезонные условия эксплуатации).

Исходя из анализа графика, можно сделать вывод, что для автопарков с высоким годовым пробегом и предсказуемой заправочной логистикой внедрение природного газа на «Урал» имеет наибольшую инвестиционную привлекательность.

Результаты исследования и их обсуждение.

Выполненная оценка показывает, что применение природного газа на автомобилях «Урал» потенциально обеспечивает значительную экономию затрат на топливо на единицу пробега, особенно в условиях высокой базовой «дизельной» топливоёмкости работ. Однако достижение заявленной эффективности возможно только при соблюдении регламентов и учёте специфики тяжёлой эксплуатации: защита газобаллонного оборудования от механических повреждений, устойчивый запуск в холодном климате, калибровка системы управления под реальные режимы, а также организация заправочной логистики. Практически целесообразно начинать внедрение с пилотного парка, используя телематику для контроля фактического расхода и простоев, после чего масштабировать решение на весь автопарк.

Выводы.

1) Применение природного газа (CNG/LNG) на автомобилях «Урал» является эффективным направлением снижения топливной составляющей себестоимости работ при условии правильного выбора формы топлива и схемы двигателя.

2) Наиболее важными факторами эффективности для тяжёлой эксплуатации являются запас хода, защищенность и надежность ГБО, а также наличие устойчивой заправочной логистики.

3) Экономическая целесообразность определяется годовым пробегом: при больших пробегах срок окупаемости существенно сокращается; при малых пробегах необходимо учитывать затраты на обслуживание и простои.

4) Повышение эффективности должно реализовываться комплексно: калибровка двигателя, снижение непроизводительных потерь (холостой ход, пробуксовка), телематика и регламент обслуживания ГБО.