ПЕРЕВОД ТРАКТОРА МТЗ-892 С ДИЗЕЛЬНОГО НА ГАЗОДИЗЕЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ: ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ И ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Современный этап развития агропромышленного комплекса России характеризуется постоянным ростом цен на нефтепродукты, в частности на дизельное топливо, которое является основным энергоносителем для сельскохозяйственных тракторов. Парк колёсных тракторов «Беларус» (Минский тракторный завод), включая модель МТЗ- 892, составляет значительную долю машинно-тракторного парка в Российской Федерации. При этом большинство таких тракторов оснащены дизельными двигателями Д-243, которые характеризуются повышенным расходом топлива и высокими выбросами сажи и оксидов азота.

Одним из наиболее перспективных направлений снижения эксплуатационных затрат и улучшения экологических показателей является перевод дизельных двигателей на газомоторное топливо — природный газ (метан). Однако прямое использование газа в дизельном двигателе невозможно в силу физико-химических различий. Температура самовоспламенения метана составляет 650–700 °C, тогда как для дизельного топлива этот показатель находится в диапазоне 300–330 °C. Следовательно, при сжатии в цилиндре дизеля газовоздушная смесь не воспламеняется самостоятельно.

Целью настоящей работы является разработка технически обоснованного и экономически выгодного способа перевода трактора МТЗ-892 с двигателем Д-243 на газодизельный режим работы с сохранением возможности эксплуатации на чистом дизельном топливе.

1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПЕРЕВОДА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ГАЗ

1.1. Полный перевод на газ с принудительным зажиганием

При реализации данного метода штатная топливная аппаратура высокого давления демонтируется. Форсунки заменяются свечами зажигания, а топливный насос высокого давления (ТНВД) — системой зажигания. Поскольку степень сжатия дизельного двигателя составляет 16–17 единиц, а для метана с октановым числом 110–120 оптимальной является степень сжатия 10–12, требуется механическое вмешательство: расточка камер сгорания в головке блока цилиндров или установка дополнительных прокладок для её снижения.

Основным недостатком такого подхода применительно к трактору МТЗ-892 является полная потеря способности работать на дизельном топливе. В условиях сельского хозяйства, где заправка газом не всегда доступна, этот недостаток является критическим.

1.2. Газодизельный (двухтопливный) режим

Данный способ признаётся предпочтительным для тракторов марки МТЗ, поскольку он не требует изменения конструкции самого двигателя. Суть метода заключается в следующем: на такте впуска в цилиндр поступает газовоздушная смесь, а в конце такта сжатия через штатную форсунку впрыскивается небольшая «запальная» доза дизельного топлива. Дизельное топливо воспламеняется от сжатия, а затем поджигает основной газовый заряд.

Ключевым преимуществом газодизельного режима является возможность быстрого переключения между видами топлива без остановки двигателя. Это достигается установкой электронного блока управления, который регулирует подачу газа и ограничивает подачу дизельного топлива.

2. ТЕХНОЛОГИЯ ПЕРЕОБОРУДОВАНИЯ ТРАКТОРА МТЗ-892

2.1. Состав устанавливаемого газового оборудования

Для перевода трактора МТЗ-892 на газодизельный режим необходимо смонтировать следующие узлы:

• баллоны для природного газа (метана) металлокомпозитного типа, устанавливаемые на раму трактора;
• редуктор высокого давления, снижающий давление газа с 200 атм до рабочего;
• газовый дозатор-смеситель, монтируемый во впускной коллектор между воздушным фильтром и турбокомпрессором;
• электромагнитные газовые форсунки (по количеству цилиндров); электронный блок управления газодизельной системой;
• шаговый электродвигатель для ограничения подачи дизельного топлива в ТНВД.

Все элементы соединяются газопроводами высокого и низкого давления с соблюдением требований безопасности. Баллоны размещаются на специальном кронштейне за кабиной трактора либо сбоку на подножке. Редуктор монтируется в моторном отсеке на виброизолирующих опорах.

2.2. Доработка топливной аппаратуры высокого давления

Ключевым техническим решением при переводе МТЗ-892 на газодизель является модернизация системы управления ТНВД. На двигателе Д-243 применяется механический рядный ТНВД с зубчатой рейкой. Положение рейки определяет количество дизельного топлива, подаваемого в цилиндры. Для работы в газодизельном режиме необходимо ограничить перемещение рейки таким образом, чтобы подача дизельного топлива составляла 20–30% от номинальной.

Эта задача решается путём установки шагового электродвигателя, который механически связан с рейкой ТНВД. Электронный блок управления, получая сигналы с датчика положения педали акселератора, датчика частоты вращения коленчатого вала и датчика абсолютного давления во впускном коллекторе, вычисляет требуемую подачу дизельного топлива и задаёт шаговому двигателю соответствующее положение. При работе на газу шаговый двигатель удерживает рейку в положении, соответствующем запальной дозе, независимо от нажатия педали. Дополнительная мощность обеспечивается за счёт увеличения подачи газа.

2.3. Принципиальная схема работы газодизельного двигателя Д-243

Процесс работы двигателя в двухтопливном режиме включает следующие такты:

Такт впуска. Поршень движется от верхней мёртвой точки к нижней. Впускной клапан открыт. Через смеситель во впускной коллектор поступает природный газ, который смешивается с воздухом. В цилиндр входит гомогенная газовоздушная смесь.

Такт сжатия. Поршень движется вверх при закрытых клапанах. Газовоздушная смесь сжимается, её температура повышается до 500–600 °C, что недостаточно для самовоспламенения метана, но достаточно для воспламенения дизельного топлива.

Впрыск запальной дозы. За 5–10 градусов до верхней мёртвой точки форсунка впрыскивает микродозу дизельного топлива, которая мгновенно воспламеняется.

Такт сгорания и расширения. Воспламенившееся дизельное топливо поджигает метановоздушную смесь. Происходит плавное сгорание с более низкой максимальной температурой по сравнению с чистым дизельным процессом, что снижает образование оксидов азота.

В таблице 1 приведено сравнение основных параметров работы двигателя Д-243 в чисто дизельном и газодизельном режимах.

Таблица 1.

 Сравнительные характеристики режимов работы двигателя Д-243 трактора МТЗ-892

Параметр	Дизельный режим (100% ДТ)	Газодизельный режим
Подача дизельного топлива, % от номинала	100	20-30
Подача природного газа, %	0	70-80
Способ воспламенения рабочей смеси	Самовоспламенение от сжатия	Запальная доза ДТ
Степень сжатия	16,5	16,5
Максимальная мощность, л.с.	81	78-80
Дымность отработавших газов, %	15-25	2-5

 

3. РЕЖИМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ

Для обеспечения универсальности эксплуатации трактора МТЗ-892 в кабине устанавливается трёхпозиционный переключатель режимов. Доступны следующие положения:

Режим «Дизель». Электронный блок управления отключает газовую систему. Шаговый электродвигатель полностью открывает рейку ТНВД. Трактор работает исключительно на дизельном топливе. Этот режим используется при отсутствии газа в баллонах или при неисправности газового оборудования.

Режим «Газ». Электронный блок управления подаёт

питание на газовые форсунки и активирует шаговый электродвигатель, который ограничивает ход рейки ТНВД на уровне 20–30% от максимального. Процент замещения дизельного топлива газом автоматически корректируется в зависимости от нагрузки на двигатель.

Режим «Автомат». Электронный блок управления самостоятельно выбирает оптимальное соотношение газа и дизельного топлива. При снижении давления газа в баллонах ниже рабочего уровня или при отказе газовых компонентов система автоматически переключается на чисто дизельный режим, о чём водитель информируется световой и звуковой сигнализацией.

Переключение между режимами происходит без разрыва мощности и без остановки двигателя. Время переключения не превышает 0,5 секунды.

4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

4.1. Расчёт экономии топливных средств

Для трактора МТЗ-892, эксплуатируемого в полевых условиях, средний расход дизельного топлива составляет 10–12 литров на один моточас. При работе в газодизельном режиме с замещением 75% расход дизельного топлива сокращается до 2,5–3,0 литров на моточас, а расход природного газа составляет 8–10 кубических метров на моточас.

При рыночной стоимости дизельного топлива 75 рублей за литр и стоимости природного газа 28 рублей за кубический метр (с учётом заправки на автомобильной газовой станции) затраты на один моточас составят:

• на дизельном топливе: 11 л × 75 руб. = 825 руб./моточас;
• на газодизеле: (3 л × 75 руб.) + (9 м³ × 28 руб.) = 477 руб./моточас.

Экономия составляет 348 рублей на каждый моточас работы. При годовой наработке 1200 моточасов экономия достигнет 417 600 рублей в год. Стоимость комплекта газодизельного оборудования с установкой оценивается в 120 000–150 000 рублей.

Таким образом, срок окупаемости составляет 3–4 месяца интенсивной эксплуатации.

4.2. Экологические преимущества

Переход на газодизельный режим приводит к существенному улучшению экологических показателей:

1. Выбросы сажи (твёрдых частиц) снижаются на 85–90% благодаря более полному сгоранию метана;

2. Выбросы оксидов азота уменьшаются на 30–40% из-за снижения максимальной температуры в камере сгорания.

Кроме того, природный газ не содержит серы, поэтому полностью отсутствуют выбросы сернистых соединений, и масло в двигателе не подвергается кислотному окислению, что увеличивает межсервисный интервал.

5. ТРЕБОВАНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ

При переводе трактора МТЗ-892 на газодизельный режим необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

1. все работы по монтажу газового оборудования должны выполняться специализированной организацией, имеющей лицензию на работу с газобаллонным оборудованием;
2. баллоны подлежат обязательному освидетельствованию один раз в два года;
3. газопроводы высокого давления должны быть окрашены в красный цвет и не иметь повреждений изоляции;
4. в месте установки баллонов необходимо предусмотреть защитный кожух от механических повреждений;
5. эксплуатация трактора с неисправной газовой системой запрещается.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы обоснована техническая возможность и экономическая целесообразность перевода трактора МТЗ-892 с дизельным двигателем Д-243 на газодизельный режим работы. Предложенная схема переоборудования основана на сохранении штатной топливной аппаратуры высокого давления и дополнении её системой подачи природного газа с электронным управлением.

Основные выводы работы:

1. Газодизельный режим не требует снижения степени сжатия и механической доработки камер сгорания, что сохраняет заводской ресурс двигателя.
2. Экономия затрат на топливо достигает 50%, срок окупаемости оборудования не превышает 4 месяцев при годовой наработке 1200 моточасов.
3. Экологические показатели улучшаются: дымность отработавших газов снижается, выбросы оксидов азота сокращаются на 30–40%.