ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАНА НА ТРАКТОРЕ КИРОВЕЦ-744P5

Введение. Современное сельскохозяйственное производство характеризуется ростом энергоемкости выполняемых операций, что предъявляет повышенные требования к мощности, надежности и экономичности тракторов. Энергонасыщенный трактор Кировец К-744Р5, оснащенный дизельным двигателем мощностью 428 л.с., является ключевой единицей в составе агрегатов для выполнения пахоты, посева, обработки почвы и других ответственных операций. Однако высокая производительность сопровождается значительным расходом дизельного топлива и соответствующим уровнем вредных выбросов.

В условиях ужесточения экологических норм и роста цен на дизельное топливо актуальным становится поиск альтернативных энергоносителей. Одним из наиболее перспективных направлений является использование сжатого природного газа (метана), который обладает высоким октановым числом, относительно низкой стоимостью и позволяет существенно снизить токсичность отработавших газов.

Трактор К-744Р5, благодаря своей мощностной нише, высокой нагрузочной способности и наличию свободного пространства на раме для размещения дополнительного оборудования, представляет собой удобную и технически оправданную платформу для апробации и внедрения технологий газомоторного топлива в классе тяжелой сельскохозяйственной техники [2, с. 15].

Цель работы. Повышение экономичности и экологичности трактора Кировец К-744Р5 за счет перевода его двигателя на метановое топливо и обоснование целесообразности его применения в условиях интенсивного аграрного производства.

Материалы и методы исследования. В качестве объекта исследования выбран трактор Кировец К-744Р5 с базовым дизельным двигателем. Для трактора рассматриваются два основных подхода к переводу на метановое топливо: полный перевод на метан с заменой или глубокой модернизацией дизельного двигателя, реализацией искрового зажигания; работа по газодизельному циклу, когда метан подается во впускной тракт, а дизельное топливо используется в качестве запальной порции.

В работе использованы аналитический обзор литературных и нормативных источников, сравнительный анализ конструктивных решений по установке газобаллонного оборудования (ГБО) на двигатели большой мощности, расчетная оценка влияния типа топлива на расход, себестоимость моточаса и экологические показатели.

Аппаратно-техническая часть исследования.

Перевод двигателя К-744Р5 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, с. 80].

Программно-алгоритмическая часть исследования.

Схематично система питания метанового двигателя на базе Кировец-К744P5 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	215	195
Стоимость топлива, руб./кВт·ч	12	7
Снижение выбросов CO₂, %	0	25
Снижение выбросов NOx, %	0	50
Снижение выбросов твёрдых частиц, %	0	85

 

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

Результаты исследования. Анализ данных таблицы 1 показывает, что при переводе трактора К-744Р5 на метановое топливо наблюдается существенное снижение стоимости моточаса эксплуатации и улучшение экологических показателей. Газодизельный вариант позволяет уменьшить расходы на топливо примерно на 36%, тогда как при использовании чисто метанового двигателя экономия может достигать порядка 40%. При этом удельный расход топлива в пересчёте на дизельное топливо несколько снижается благодаря более высокой теплоте сгорания метана и оптимизации рабочего процесса [3, с. 5].

Внедрение комплексной системы газового питания на тракторе К-744P5 показало следующие результаты:

1. Снижение эксплуатационных затрат. Система с использованием метана позволила снизить стоимость моточаса на 40–50% 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 85%), оксидов азота (на 50%) и углекислого газа (на 25%), 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 1000–1200 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, с. 18].

Выводы. Перевод трактора Кировец К-744Р5 на метановое топливо является перспективным направлением снижения эксплуатационных затрат и вредных выбросов в условиях интенсивного сельскохозяйственного производства. Модернизация двигателя путем установки газобаллонного оборудования, системы зажигания и электронной системы управления подачей газа технически реализуема.

С экономической точки зрения применение метана позволяет снизить стоимость моточаса на 40–50%, что при достаточном годовом фонде работы трактора обеспечивает окупаемость проекта за 2–3 года.

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.