Основные достоинства природного газа при применении в качестве газомоторного топлива, по сравнению с дизельным, – это низкая цена и высокие экологические характеристики. Кроме того, использование нефти в химической промышленности более эффективно, чем простое сжигание с коэффициентом полезного действия не выше 40% (остальная энергия, заключенная в топливе, выбрасывается в атмосферу в виде тепла и тратится на преодоление механических потерь в узлах трения).
Достоинства применения газомоторного топлива (ГМТ) могут быть реализованы на самых разных конструкциях: колесных и гусеничных тракторах, различных самоходных с/х и коммунальных машинах, а также на стационарных установках по выработке электроэнергии и тепла. Сегодня, в подавляющем большинстве, строительно-дорожная, коммунальная и сельскохозяйственная техника в качестве горючего использует дизельное топливо (ДТ) и бензин. Поэтому все конструкции как дизельных двигателей, так и бензиновых силовых установок десятилетиями оптимизировались именно под такие виды топлива. Любой газ (природный, нефтяной, промышленный, а также биогаз животного и растительного происхождения) – это альтернативное горючее, и обеспечение использования ГМТ требует внесения изменений в конструкцию существующих двигателей.
В 2005 году на Владимирском моторо-тракторном заводе был дан старт разработкам по переводу сельскохозяйственной техники с дизельного топлива на газомоторное. А в нынешнем году, в связи с выделением в отдельное предприятие Головного специализированного конструкторского бюро (ГСКБ) и экспериментального производства ВМТЗ, работы продолжились в рамках ООО «Завод инновационных продуктов «КТЗ». За прошедшие годы здесь, на базе дизелей воздушного охлаждения, созданы газовые двигатели как с центральной подачей голубого топлива, так и распределенной с микропроцессорным управлением. В России подавляющая часть техники, используемой в аграрно-промышленном комплексе (АПК) и жилищно-коммунальном хозяйстве (ЖКХ), комплектуется дизельными двигателями. Поэтому при разработке на базе дизелей газовых модификаций владимирские специалисты в первую очередь учитывали различия в физико-химических и эксплуатационных характеристиках ДТ и природного газа.
Вопрос о развитии парка техники, машин и оборудования, работающих на газомоторном топливе в агропромышленном комплексе Российской Федерации 18 июля с.г. был обсужден на заседании секции научно-технической политики Научно-технического совета Минсельхоза России под председательством заместителя министра сельского хозяйства Российской Федерации Дмитрия Юрьева. С докладом об использовании природного газа в качестве моторного топлива на сельскохозяйственной технике выступил заместитель генерального директора ООО «Компания корпоративного управления «Концерна «Тракторные заводы» Александр Гудков, который озвучил пути и решения перевода тракторов и комбайнов на метан.
Мощность двигателя остается прежней
Природный газ (ПГ) на 92-99% состоит из метана, остальное – более тяжелые углеводороды, диоксид углерода, азот и кислород. До потребителей ПГ доставляется по магистралям высокого, среднего и низкого давления: на теплоэлектростанции, промышленные предприятия, автомобильные газонаполнительные компрессорные станции (АГНКС) и в бытовой сектор.
Необходимо отметить, что газ проще подавать в двигатель вместе с воздухом, в отличие от раздельной подачи реагентов в дизеле, соответственно, изменится режим сгорания топливно-воздушной смеси. Вместо диффузионного будет кинетический, что приведет к существенному снижению сажеобразования. Положительным моментом является и то, что хотя теплотворность ДТ ниже, чем ПГ, однако теплотворность стехиометрических смесей обоих топлив с воздухом практически одинаковы, поскольку для сжигания единицы массы ПГ требуется больше воздуха. Что позволяет практически не терять мощность двигателя при переходе с ДТ на природный газ.
Распоряжением Правительства РФ от 13.05.2013 № 767-р поставлена задача существенно расширить использование природного газа (ПГ) в качестве моторного топлива на общественном автомобильном транспорте, транспорте дорожно-коммунальных служб и сельскохозяйственной технике. Уже с 1 сентября 2014 г. снижаются налоговые ставки транспортного налога для транспортных средств, использующих ПГ в качестве моторного топлива. Также будут уменьшены (а в ряде случаев и обнулены) ставки ввозной таможенной пошлины на компоненты, необходимые для производства транспортных средств, использующих ПГ в качестве моторного топлива.
Степень сжатия снижена до газовой
Вышеперечисленные отличия предопределили необходимость внесения в конструкцию и комплектацию дизельного двигателя ряда изменений, чтобы обеспечить возможность работы на ПГ. А именно: переход от внутреннего способа смесеобразования к внешнему и от самовоспламенения за счет сжатия к принудительному воспламенению за счет подачи электрической искры.
При этом степень сжатия с «дизельной» 15,5…16,0 снижена до «газовой» 11,0…11,5; вместо дизельной топливной аппаратуры (насос и топливопроводы высокого давления, фильтры грубой и тонкой очистки, форсунки) установлены газовый редуктор, дроссельная заслонка, узел управления зажиганием и свечи зажигания. Топливные баки заменяются баллонами высокого давления, в которых ПГ закачивается до давления 200 кг/см2, в связи с чем газ называется сжатым (компримированным) природным газом (СПГ, КПГ).
Объем баллонов под ПГ (что является важной эксплуатационной характеристикой любого топлива) рассчитывается исходя из приблизительного соотношения по замещению одного литра ДТ одним кубометром газа, находящегося под атмосферным давлением (т.н. нормальным кубометром, нм3). Приблизительно – потому что фракционный состав (а соответственно и теплотворность) как ПГ, так и ДТ зависит от особенностей месторождений газа и нефти. Таким образом, сжимая 1 нм3 = 1000 л ПГ в 200 раз, получаем, что для замещения 1 л дизельного топлива нужен баллон емкостью 5 л (в случае применения сжиженного ПГ это соотношение уменьшается еще в 2,5 раза).
При этом надо учесть, что стоимость ДТ 25,0…32,0 руб./л, а ПГ – 9,0…10,5 руб./м3 на компрессорных станциях (5,0…6,0 руб./м3 при использовании индивидуальных компрессоров). Подобное соотношение предопределяет меньшие в 2,5…5,0 раз эксплуатационные затраты по статье «расход горюче-смазочных материалов».
Где заправляться
Эффективность конструкторских разработок ООО «ЗИП «КТЗ» подтверждена успешным участием первых российских тракторов АГРОМАШ 85ТК с газовыми двигателями во II Открытом чемпионате России по пахоте (май 2013, Ростовская область) и 140-километровым пробегом из Владимирской области в Ивановскую и обратно на завод без единой заправки. Поэтому неудивителен высокий интерес со стороны потребителей техники к инновационной машине на выставках сельскохозяйственной техники в различных регионах страны: Владимирской, Волгоградской, Ивановской, Московской, Рязанской областях.
Аграриев приятно удивляет возможность снизить затраты на топливо в 2,5…3,0 раза без потери мощности трактора. Положительным моментом является и 80…85% унификация газового двигателя с серийным дизельным, что крайне важно для обеспечения сервисного обслуживания техники в эксплуатации. Но они всегда задают резонный вопрос: «А где заправляться?»
Действительно, заправка пока является «узким местом» в решении проблемы перевода техники на ГМТ. Стационарных АГНКС не хватает, также недостаточно мобильных автозаправщиков, и пока приходится рассчитывать только на индивидуальные компрессоры, которые могут (по согласованию с местным облгазом) подключаться к газовым магистралям в сельских поселениях. В последнем случае закачка баллонов будет производиться в ночное время, когда нет разбора газа на бытовые нужды и что не создаст проблемы нехватки газа при наличии большого числа техники.