ТРАКТОР НА ГАЗОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ: ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУКЦИИ И ПРЕИМУЩЕСТВА

Введение

Современное сельскохозяйственное производство предъявляет повышенные требования к энергоэффективности и экологичности тракторной техники. Одним из перспективных направлений является применение газодизельного топлива, при котором часть дизельного топлива замещается сжатым природным газом. Такой подход позволяет увеличить использование более дешёвого и экологически чистого топлива при сохранении надёжного воспламенения смеси за счёт пилотной дозы дизеля. Газодизельная технология рассматривается как компромиссное решение между традиционным дизельным и полностью газовым двигателем. Она обеспечивает снижение эксплуатационных затрат и вредных выбросов без радикального изменения конструкции базового дизельного агрегата и с сохранением возможности работы в штатном дизельном режиме.

Цель и задачи работы

Цель работы – обоснование конструктивных решений и эксплуатационных преимуществ трактора на газодизельном топливе в условиях сельскохозяйственного производства. Для достижения поставленной цели в работе рассматриваются следующие задачи: анализируется принцип работы газодизельного двигателя, описываются особенности размещения и компоновки газобаллонного оборудования, приводится сравнительная оценка топливной экономичности и экологических показателей в дизельном и газодизельных режимах, а также формулируются рекомендации по применению газодизельных тракторов в аграрном секторе.

Материалы и методы исследования

В качестве объекта исследования рассматривается колёсный сельскохозяйственный трактор тягового класса 1,4, оснащённый базовым дизельным двигателем мощностью 80–82 л.с., переведённым на газодизельный цикл. Газодизельный режим реализуется путём подачи сжатого природного газа во впускной коллектор и впрыска уменьшенной дозы дизельного топлива непосредственно в цилиндры для инициирования воспламенения. Методика исследования включает анализ технической документации, расчёт сравнительных показателей топливоподачи и эксплуатационных затрат, а также обобщение экспериментальных данных, полученных при апробации газодизельных тракторов на сельскохозяйственных работах. На основе приведённых данных сформирована сравнительная таблица и построены графики, позволяющие наглядно оценить влияние доли замещения дизельного топлива газом.

Особенности конструкции трактора на газодизельном топливе

Переоборудование базового дизельного трактора под газодизельное топливо требует установки газобаллонного оборудования, включающего баллоны высокого давления, запорную и предохранительную арматуру, редуктор-испаритель и систему магистралей. Баллоны размещаются, как правило, на раме или в задней части трактора с учётом допустимых нагрузок на оси и обеспечения безопасности при эксплуатации. Система питания дизельным топливом дополняется газовой рампой и дозирующей аппаратурой, обеспечивающей регулирование расхода природного газа в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Электронный блок управления корректирует момент и длительность впрыска пилотной дизельной дозы, обеспечивая устойчивое сгорание обеднённой газовоздушной смеси без возникновения детонации. Важным элементом является интеграция датчиков давления и температуры во впускном тракте и системе наддува, а также использование датчиков детонации, что позволяет реализовать адаптивные алгоритмы управления и обеспечить надёжную работу двигателя во всём диапазоне эксплуатационных режимов.

Ожидаемые преимущества и технико-экономический эффект

Основными ожидаемыми преимуществами применения газодизельного топлива являются снижение затрат на топливо за счёт частичного замещения более дорогого дизельного топлива природным газом, уменьшение выбросов вредных веществ с отработавшими газами и увеличение ресурса отдельных элементов цилиндро-поршневой группы. Для количественной оценки эффекта сформирована сравнительная таблица показателей трактора в дизельном и газодизельных режимах работы.

Таблица 1.

Сравнительная характеристика трактора в дизельном и газодизельных режимах

Анализ данных таблицы 1 показывает, что при увеличении доли замещения дизельного топлива природным газом удельный расход дизельного топлива существенно снижается: с 12,0 до 7,0 л/ч при замещении 50 % и до 5,0 л/ч при замещении 70 %. При этом суммарный эквивалентный расход топлива по энергии практически не возрастает, что свидетельствует о сохранении высокой энергетической эффективности газодизельного режима. Стоимость моточаса при работе в газодизельных режимах уменьшается до 82–78 % от уровня базового дизельного режима за счёт использования более дешёвого природного газа. Одновременно относительный уровень выбросов NOx снижается до 80–85 %, а твёрдых частиц – до 60–70 % от базового значения. Таким образом, газодизельный режим обеспечивает сочетание топливной экономичности и улучшенных экологических характеристик при сохранении приемлемых энергетических показателей трактора.

Рисунок 1. Удельный расход дизельного топлива в различных режимах работы трактора

Рисунок 2. Стоимость моточаса трактора в дизельном и газодизельных режимах

Рисунок 3. Изменение уровня выбросов твёрдых частиц при переходе на газодизельное топливо

Анализ графиков (рисунки 1–3) подтверждает выводы, сделанные по результатам табличного сравнения. График удельного расхода дизельного топлива (рисунок 1) демонстрирует существенное снижение потребления дизельного топлива при работе в газодизельных режимах, что особенно важно в условиях роста цен на нефтепродукты. На рисунке 2 видно, что стоимость моточаса также снижается по мере увеличения доли замещения дизельного топлива газом. График относительного уровня выбросов твёрдых частиц (рисунок 3) показывает выраженное улучшение экологических показателей трактора при переходе на газодизельное топливо: снижение выбросов до 60–70 % от базового уровня способствует выполнению действующих экологических нормативов и снижению негативного воздействия на окружающую среду. В совокупности это позволяет рассматривать газодизельную технологию как эффективный инструмент повышения конкурентоспособности сельскохозяйственной техники.

Результаты исследования и их обсуждение

Сопоставление полученных расчётных и экспериментальных данных показывает, что перевод трактора на газодизельное топливо обеспечивает устойчивое снижение эксплуатационных затрат при выполнении основных сельскохозяйственных операций (вспашка, культивация, посев). При этом сохраняется необходимый запас по мощности и тяговому усилию, а субъективные ощущения механизатора по приемистости и устойчивости двигателя не ухудшаются. Особое значение имеет снижение концентрации твёрдых частиц и оксидов азота в отработавших газах, что снижает токсичность выхлопа в непосредственной зоне работы механизаторов и обслуживающего персонала. Применение адаптивных систем управления подачей газа и пилотной дозы дизельного топлива позволяет избежать детонационных режимов сгорания и обеспечить приемлемые термонапряжённые условия для деталей цилиндро-поршневой группы.

Выводы

Газодизельная технология позволяет снизить удельный расход дизельного топлива и стоимость моточаса тракторной техники за счёт частичного замещения дизельного топлива сжатым природным газом при сохранении достаточного уровня энергетических характеристик. Применение газодизельного топлива способствует уменьшению выбросов оксидов азота и твёрдых частиц, что повышает экологическую безопасность эксплуатации тракторов в сельскохозяйственном производстве. Для широкого внедрения газодизельных тракторов необходима развитая инфраструктура газозаправочных станций и оснащение техники надёжными системами газобаллонного оборудования и электронного управления впрыском.