Первый Сибирский проект по использованию КПГ в качестве моторного топлива в сельском хозяйстве Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Первый Сибирский проект по использованию КПГ в качестве моторного топлива в сельском хозяйстве

АГРОТЕХЭНЕРГО

ГОмСК

И.А. Караев,

генеральный директор ООО «Агротехэнерго-Томск»

В Томской области опыт по использованию газомоторного топлива наработан в течение 20 лет. За это время были построены две АГНКС и переоборудованы для работы на компримированном природном газе (КПГ) свыше 1,5 тыс. автомобилей. Более половины газобаллонного автотранспорта составляют маршрутные автобусы, используемые для перевозки пассажиров в областном центре.

В 2006 г. ООО «Агротехэнерго-Томск» в рамках постановления губернатора Томской области «О создании условий для развития рынка газомоторного топлива и расширения сети газозаправочных станций» приступило к внедрению газомоторного топлива в агропромышленном комплексе Томской области. Наиболее эффективным с экономической точки зрения представляется перевод на КПГ крупных устойчивых сельскохозяйственных производителей, поэтому первым в этой программе стал СПК (колхоз) «Нелюбино» Томского района, на базе которого реализуется пилотный проект по переоборудованию сельскохозяйственной

и специальной техники на газомоторное топливо. Учитывая важность проекта, администрация Томской области оказывает поддержку в виде субсидирования части затрат на переоборудование техники под газомоторное топливо и выделения земельного участка для строительства АГНКС.

В рамках данного проекта было предпринято немало конкретных шагов: разработаны технико-экономическое обоснование перевода техники на газомоторное топливо и оптимальная схема заправки; переоборудована сельскохозяйственная и специальная техника (тракторы К-701, малотоннажные автомобили

УАЗ-3303, ГАЗ-33023, грузовые автомобили ГАЗ-53Б, ГАЗ-3507, ЗиЛ-ММЗ-554, автобус ПАЗ-3205); подготовлен персонал; создан участок по переоборудованию и обслуживанию газобаллонного транспорта.

На сегодняшний день заправка компримированным природным газом на территории СПК выполняется с помощью передвижного автогазозаправщика (ПАГЗа), который заправляется от АГНКС, находящейся в 35 км от хозяйства, что существенно увеличивает стоимость газомоторного топлива. Поэтому было принято решение о строительстве на территории колхоза собственной АГНКС, рассчитанной на 150 заправок в сутки. Это позволит обеспечить природным газом газобаллонную технику СПК (колхоза) «Нелюбино» и почти полностью (320067 л/г. или 79%) заменить жидкое нефтяное топливо, сократив таким образом затраты на топливо на 3748450 руб. или на 48%.

По результатам реализации данного проекта планируется разработать областную целевую программу по внедрению современных технологий перевода автотранспорта и сельскохозяйственной техники на экономичное и безопасное газомоторное топливо - компримирован-ный природный газ (метан).

Конвертация дизеля Д-240 в газоискровой двигатель

Г.С. Савельев,

начальник лаборатории ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н., Е.Т. Кауров,

ст. научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ»,

A.Д. Шапкайц,

вед. научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ», к.т.н., И.Л. Дьяченко,

ст. научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ»,

B.А. Демидов,

научный сотрудник ООО «ВНИИГАЗ»

Трактор МТЗ-80/82 с дизелем Д-240 является самым массовым трактором в сельском хозяйстве РФ. На его долю приходится 46% сельского тракторного парка России. Он также широко применяется в коммунальной, строительной и других отраслях. Ввиду сравнительно низкой мощности и пониженного коэффициента загрузки двигателя срок окупаемости затрат на переоборудование дизеля трактора МТЗ-80/82 в газодизельный режим больше, чем

у других тракторов, соответственно ниже и коммерческая эффективность. Повышение эффективности обеспечивается при конвертации дизеля в монотопливный газоискровой двигатель, эффективность которого по сравнению с газодизелем повышается на 42-65% (в зависимости от загрузки двигателя) за счет полного замещения дизельного моторного топлива более дешевым компримированным природным газом (КПГ) [1].

Опытные образцы тракторов МТЗ-80/82 с газоискровыми двигателями успешно эксплуатируются в ООО «ВНИИ-ГАЗ», в ЗАО «Автокомбинат № 41» газоискровые двигатели эксплуатируются на автомобилях ЗИЛ-5301 («Бычок»). В значительной степени их успешная эксплуатация достигнута за счет использования технологии конвертирования с максимальным использованием доработанных серийных узлов.

При конвертации дизелей, находящихся в эксплуатации, в газовые двигатели выбор формы камеры сгорания в основном определяется конструкцией камеры сгора-

К штуцеру вакуума редукгора-прдогревателя

А - коллектор; В - катушка зажигания; С - датчик-распределитель зажигания; 0 - воздушный фильтр; Е - впускной трубопровод; ? - подводящий уголок

Рис. 1. Схема эжекторной системы питания газоискрового двигателя на базе дизеля ММЗ-240: 1 - редуктор низкого давления; 2 - магистральный вентиль; 3 - заправочное устройство; 4 - электромагнитный газовый клапан; 5 - редуктор высокого давления; 6 - трубопровод высокого давления; 7 - манометр на давление 250 кгс/см2; 8 - рукав вакуума; 9 - рукав подвода газа к смесителю; 9а - рукав подвода вакуума к редуктору низкого давления; 10 - газовый баллон; 11 - переключатель вида топлива с указателем давления газа в баллонах; 12 - смеситель газа с дроссельной заслонкой; 13 - датчик утечки газа; 14 - сигнализатор утечки газа; 15 -гофрированный шланг; 16 - пятерник; 17 - баллонные вентили; 18 - дренажные шланги; 19 - ЭМК ограничения частоты вращения КВ двигателя; 20 - электронный блок ограничителя частоты вращения КВ двигателя; 21 - штуцер вакуума

Воздух

Рис. 2. Газовоздушный смеситель с дроссельным узлом СГ-250: 1 - корпус смесителя; 2 - упор обратного клапана; 3 - обратный клапан; 4 - дроссельная заслонка; 5 - система ограничения частоты вращения КВ двигателя

ния базового дизеля. В результате проведенных экспериментальных исследований газоискровых конвертированных двигателей установлено: при работе на КПГ степень сжатия е должна быть в пределах 12-12,5. Объем камеры сгорания Ус при выбранной степени сжатия е, рабочем

Таблица 1

Показатели газоискрового двигателя Д-240 с основной комплектацией

Показатели MAX мощность MAX момент Холостой ход

Частота вращения КВ двигателя п, мин-1 2404 1003 654

Мощность 1\1е, кВт 63,35 35,23 0

Расход газа, йт, нм3/ч 19,18 9,77 1,42

Удельный расход топлива де, г/кВтч 252 227 —

Эффективный КПД Пе 0,334 0,365 —

Температура отработавших газов 1 , °С ог' 699 606 310

Коэффициент избытка воздуха X 1,134 1,016 1,619

Содержание СО, % 0,03 0,3 0,06

Содержание ШСН, ррт 74 94 200

Содержание 1\10х, ррт >2000 >2000 0

900 1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 п,мин*

Рис. 3. Внешняя скоростная характеристика газоискрового двигателя с основной комплектацией газотопливной системы

объеме двигателя и числе цилиндров I определяется по формуле:

V = V. / 1(е-1); V = V + V ,

с п ' с нп кп

где Vнп - все объемы, кроме объема камеры в поршне; Vкп - объем камеры в поршне.

Увеличение объема V. обеспечивается срезанием боковых стенок горловины камеры с увеличением диаметра камеры по высоте.

При конвертации дизеля в газоискровой двигатель вместо форсунки устанавливается свеча зажигания, опытная эксплуатация газового двигателя на базе дизеля Д-240 показала возможность установки свечи с резьбой М14х1,25.

Эжекторная система питания газоискрового двигателя на базе дизеля Д-240 (рис. 1) включает: газобаллонный модуль 10 с датчиком утечки газов 13 и сигнализатором утечки газа 14, заправочное устройство 3, редуктор высокого давления 5, редуктор низкого давления 1, смеситель газа с дроссельной заслонкой 12. Газовоздушный смеситель с дроссельным узлом СГ-250 (рис. 2) производства ООО «Топливные системы» (г. Санкт-Петербург) имеет двухкамерный диффузор и дроссельный узел с параллельным открытием заслонок 4, обратный клапан 3, систему ограничения частот вращения КВ двигателя 5. Конструктивной особенностью смесителя является наличие тарельчатого клапана, предотвращающего попадание газа в смесительные камеры через главную дозирующую систему при работе двигателя в режиме холостого хода. Это улучшает стабильность качества смеси на режиме холостого хода и исключает хлопки в глушитель при движении под уклон.

Датчик-распределитель бесконтактно-транзисторной системы зажигания монтируется через переходник вмес-

м„

Нм 350 300 250

О,, нм3/ч, 20,0 17,5 15,0 12,5 10,0

Ле 0,37 0,36 0,35 0,34 0,33

X 1,15 1,10 1,05

N1*1 НС, ррш 110 100 90

1100 1300 1500 1700 1900 2100 2300 ^мин"1

Рис. 4. Внешняя скоростная характеристика газового двигателя Д-240 с системой 1_0У-ЕС0 2 и трехкомпонентным нейтрализатором

то топливного насоса высокого давления. По результатам стендовых испытаний была внесена корректировка в характеристики центробежного и вакуумного регуляторов.

Ввиду увеличенного значения давления в цилиндре в момент искрообразования за счет более высокой степени сжатия по сравнению с бензиновыми двигателями для надежного искрообразования необходимо было уменьшать зазор у свечи зажигания. Необходимо также применять провода высокого напряжения с двойной силиконовой изоляцией для исключения их пробоя.

На газовом двигателе возможно использование двух систем ограничения максимальной частоты вращения КВ двигателя с пневмомеханическим и электрическим датчиками. Исполнительным механизмом в обеих системах является пневмомеханизм смесителя СГ-250, который прикрывает дроссельные заслонки независимо от положения рычага дроссельных заслонок.

У первого варианта ограничителя максимальной частоты вращения КВ газоискрового двигателя вместо электромагнитного клапана применяется доработанный центробежный датчик. В данном варианте используются серийные узлы, в качестве недостатка следует отметить затрудненную доступность при установке и регулировке датчика.

Исходя из максимальных значений эффективного КПД (П6) и минимальной температуры отработавших газов ^

по регулировочной характеристике определялся оптимальный установочный угол опережения зажигания фоз, равный 14°.

Результаты стендовых испытаний газоискрового двигателя в основной комплектации, включающей газовые редукторы высокого и низкого давления, смеситель СГ-250, оригинальный впускной коллектор, штатный воздушный фильтр, показали возможность получения номинальной мощности 63,3 кВт (табл. 1, рис. 3).

С учетом потерь мощности на привод вентилятора (7%), который при данных испытаниях был отключен, номинальная эксплуатационная мощность газоискрового двигателя равна 58,8 кВт, то есть равна мощности дизеля (58,2 кВт). Коэффициент запаса крутящего момента (по ГОСТ 18509-88) у газоискрового двигателя (19%) превосходит норматив для тракторного двигателя (15%). Интенсивный рост крутящего момента при уменьшении частоты вращения КВ двигателя с 1600 до 1000 мин-1 обеспечивается за счет снижения в этом интервале коэффициента избытка воздуха X с 1,296 до 1,016 (рис. 3). Мак-

Таблица 2

Основные показатели газового двигателя Д-240 с системой снижения токсичности LOV-ECO 2 и трехкомпонентным нейтрализатором ОГ

Показатели MAX мощность MAX момент Холостой ход

Частота вращения КВ двигателя п, мин-1 2411 1000 637

Мощность 1\е, кВт 60,00 32,58 —

Крутящий момент Мк , Н • м 237,6 311,4 —

Расход газа й т, нм3/ч 17,88 9,05 1,05

Удельный расход де, г/(кВтч) 248 231 —

Эффективный КПД 0,340 0,365 —

Коэффициент избытка воздуха X 1,116 1,123 1,286

Температура отработавших газов 1 , °С ог' 715 620 320

Температура в нейтрализаторе 1„, °С* 605 505 240

550 440 230

Содержание СО, %* 0,34 0,29 0,38

0,00 0,00 0,00

Содержание Ш НС, ррт* 112 87 479

91 83 381

Содержание 1\10х, ррт* 3480 3230 453

3380 3160 331

*В верхней строке - до нейтрализатора, в нижней - после.

Таблица 3

Содержание вредных выбросов газового двигателя Д-240 с системой LOV-ECO 2 и трехкомпонентным нейтрализатором

Частота вращения КВ двигателя, мин-1 Измеренные значения Предельные значения по ГОСТ 17.2.02.06-99

СО, % СН, ррт СО, % СН, ррт

п =637 мин 0,0 381 3,0 2200

п =1900 пов 0,0 495 2,0 900

симальная температура отработавших газов находится в допустимых пределах и не превышает 700°С.

Содержание неметановых углеводородов не превышало 100 ррт. Низкое содержание окиси углерода СО в отработавших газах двигателя (менее 0,03%) получено за счет обеднения газовоздушной смеси (X = 1,1-1,3) в рабочем диапазоне частоты вращения КВ двигателя 11002400 мин-1. Ввиду низкого содержания окиси углерода и углеводородов данная комплектация и регулировки не позволяют использовать нейтрализатор для снижения концентрации оксидов азота N0^ содержание которых в данном варианте на всех режимах внешней характе-

1100

1300

1500

1700

1900

2100 2300

Открытие дросселя: 100% - Л-А

75% - □50% - О-25% -

Рис. 5. Показатели токсичности отработавших газов двигателя Д-240 с трехкомпонентным нейтрализатором и пневматическим дозатором газа на частичных скоростных характеристиках

ристики превышало 2000 ррт. В связи с этим выбросы токсичных веществ с отработавшими газами двигателя соответствуют поправке серии 01 Правил № 49 ЕЭК ООН и действующему ГОСТ 17.2.02.06-99 (протокол № 68-03 от 14.10.2003 г. сертификационных испытаний комплекта газобаллонного оборудования «АГТС САГА-7Б» для транспортных средств ЗИЛ-5301 и их модификаций с газовым двигателем, конвертированным из дизеля ММЗ Д-245.12, использующих в качестве моторного топлива КПГ).

Для нейтрализации оксидов азота N0x при эффективной работе трехкомпонентного нейтрализатора отработавших газов необходимо поддерживать на входе в него определенную концентрацию окиси углерода СО и необходимую температуру ОГ. Такую функцию в эжекторной системе питания газового двигателя выполняет дозатор газа с автономным исполнительным механизмом, управляемым электронным блоком по сигналу датчика кислорода (Х-зонда). Из наличия подобных недорогих серийных систем была выбрана система снижения токсичности фирмы «L0VATO» и трехкомпонентный нейтрализатор отработавших газов производства ОАО «НОТЕК».

Система снижения токсичности L0V-EC0 2 предназначена для установки на автомобили, использующие в качестве топлива сжиженный углеводородный газ (СУГ).

Датчик кислорода был установлен непосредственно на выходе из выпускного коллектора. Нейтрализатор отработавших газов располагался на расстоянии 1,5 м от выпускного коллектора, что соответствует расстоянию установки глушителя штатной системы выпуска ОГ дизеля Д-245.12 автомобиля ЗИЛ-5301.

Применения системы L0V-EC0 2 на газовом двигателе Д-240 обеспечивает на всех режимах работы двигателя, за исключением холостого хода, коэффициент избытка воздуха в узком диапазоне (Х=1,026-1,148, рис. 4). Содержание токсичных компонентов, определенных по Правилам № 49 ЕЭК ООН, составляло: окиси углерода СО в пределах 0,170,34%, неметановых углеводородов NMHC - 89-168 ррт, окислов азота N0x - 2480-3480 ррт. Содержание неметановых углеводородов NMНС очень мало, причем оно увеличивается на холостом ходу и на режимах со значительным дросселированием, что свидетельствует о подсосе картерного масла через зазоры между стержнем клапана и направляющей втулкой и недостаточной эффективности уплотнения этого сопряжения имеющимися на клапанной втулке колпачками.

На выходе из нейтрализатора содержание окиси углерода СО было практически нулевым, а уменьшение содержания окислов азота N0 было незначительным. В

ш

Транспорт на КПГ

Таблица 4

Основные показатели газового двигателя Д-240 с трехкомпонентным нейтрализатором и пневматическим дозатором газа

Показатели MAX мощность MAX момент Холостой ход

Частота вращения КВ двигателя п, мин-1 2400 1203 638

Мощность 1\1е, кВт 57,00 38,41 0

Крутящий момент Мк, Н • м 226,8 305,0 0

Расход газа йт, нм3/ч 17,85 10,32 1,03

Удельный расход де, г/кВт • ч 261 224 —

Эффективный КПД Пе 0,33 0,37 —

Коэффициент избытка воздуха X 0,976 1,047 1,539

Температура отработавших газов 1 , °С ог' 700 640 250

Температура в нейтрализаторе 1„, °С* 580 510 145

540 500 75

Содержание СО, %* 1,33 0,85 0,05

1,02 0,16 0,04

Содержание ШСН, 124 97 180

ррт* 110 72 205

Содержание 1\10х, 3000 2750 97

ррт* 170 0 107

*В верхней строке - до нейтрализатора, в нижней - после.

результате уровень выбросов СО и NMHC до нейтрализатора был в четыре раза ниже, чем требования норм «Евро-2», а выбросы NOx после нейтрализатора не укладывались даже в требования «Евро-0». Это связано с тем, что нейтрализатор работает неэффективно вследствие низкого уровня СО на входе в нейтрализатор, который недостаточен для нормальной работы последнего. Следует отметить также незначительное изменение неметановых углеводородов NMHC до и после нейтрализатора, что свидетельствует о том, что они содержат в основном тяжелые углеводороды картерного масла.

Химический состав СУГ, на который рассчитана система LOV-ECO 2, существенно отличается от химического состава КПГ, содержание углерода в СУГ больше, чем в КПГ. Таким образом, система LOV-ECO 2 при использовании природного газа в состоянии обеспечить лишь требования ГОСТ 17.2.02.06-99 (табл. 3). При этом могут быть получены удовлетворительные мощностные и топливно-экономические показатели двигателя, аналогичные при-

веденным в табл. 1. Был также получен высокий коэффициент запаса крутящего момента (30%).

Для повышения эффективности использования системы LOV-ECO 2 при работе на КПГ необходима модернизация электронной системы управления с согласованием ее алгоритма с оптимальными режимами нейтрализатора при обеспечении содержания СО на входе в нейтрализатор в интервале 0,65-0,75%, что обеспечивается при работе на стехиометрическом составе смеси с коэффициентом избытка воздуха X =0,99-1,02. Наиболее удобно в этом случае использование датчика кислорода с широкополосной характеристикой.

С учетом высокой цены такого датчика был проведен поиск других вариантов обеспечения эффективной работы нейтрализатора, в частности, были проведены исследования при комплектации газового двигателя трехкомпонентным нейтрализатором и пневматическим дозатором газа.

По внешней скоростной характеристике с основной комплектацией коэффициент избытка воздуха X (рис. 3) изменяется в пределах 1,0-1,3. Для его корректировки был использован доработанный пневматический дозатор газа.

Внешняя и частичные скоростные характеристики при открытии дроссельной заслонки на 75, 50 и 25% с определением содержания вредных выбросов двигателя согласно Правилам № 49 ЕЭК ООН приведены на рис. 5-6 и в табл. 4.

Результаты проведенных испытаний показали, что при работе с нейтрализатором и пневматическим дозатором обеспечиваются:

■ возможность снижения выбросов окислов азота до требований норм «Евро-2» с обеспечением концентрации СО ниже норм «Евро-2» (без учета выбросов по метану ввиду определения NMHC инфракрасным методом);

20 /

18

16

14 -

_ 12 -

"В 10

8 /

4 -

2

19,7

СО

ШНС 158 №х

12,3

4,54,0

■ «Евро-0» ■ До нейтрализатора

□ «Евро-1» ■ После нейтрализатора

■ «Евро-2»

Рис. 6. Выбросы токсических компонентов газовым двигателем Д-240 с трехкомпонентным нейтрализатором и пневматическим дозатором газа

Таблица 5

Содержание вредных веществ в отработавших газах двигателя Д-240 по ГОСТ 17.2.02.06-99 с пневматическим дозатором газа без нейтрализатора

Частота вращения КВ Измеренные значения Предельные значения ГОСТ 17.2.02.06-99

двигателя, мин-1 СО, % СН, млн-1 СО, % СН, млн-1

n =638 мин 0,04 205 3,0 2200

n =1900 пов 0,08 373 2,0 900

■ при применении трехкомпонентного нейтрализатора отработавших газов сокращение выбросов СО в 2,8 раза, NMHC - в 1,5 раза, NOx - в 12,3 раза;

■ при работе без нейтрализатора соответствие выбросов СО и NMHC требованиям норм «Евро-2», при этом содержание NOx (19,7 г/кВт • ч) выше нормы «Евро-0» (15,0 г/кВт • ч);

■ без нейтрализатора содержание вредных выбросов, удовлетворяющих требованиям действующего ГОСТ 17.2.02.06-99 (табл. 5).

Мощностные и топливно-экономические показатели двигателя были удовлетворительными и оставались на уровне технических характеристик газового двигателя Д-240 с базовой комплектацией системы питания при коэффициенте запаса крутящего момента 34%. Противодавление, создаваемое нейтрализатором на выпуске, не превышало 4,5 кПа.

Таким образом, простая по конструкции эжекторная система с пневматическим дозатором газа и другими се-

рийными узлами, имея относительно низкую стоимость, может обеспечить выполнение газовым двигателем с трехкомпонентным нейтрализатором требований норм «Евро-2» по выбросам токсичных веществ с отработавшими газами (без учета выбросов по метану). В соответствии с постановлением Правительства РФ от 27.02.2008 г. № 118 об утверждении технического регламента «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и топочному мазуту» нормативы «Евро-2» вводятся в РФ с 28.09.2008 г.

Литература

1. Савельев Г.С., Кауров Е.Т., Шапкайц А.Д. Коммерческая эффективность переоборудования тракторов для работы на природном газе. - Транспорт на альтернативном топливе, № 1, 2008. - С. 43.

40004, Украина, г.Сумы, ул. Л о на не л с ко го, 10." 1 Тсл.'флкс: + ЗВ (05421 в 19-41 в Тел:+3в (05421 619-417 E-m ai I: inf o@mela nma sh.com www, rnetanmash.com

ООО «Калугагазмаш». 249096, России. Калужская обл., г.Малояpoenaвец, ул.Кирова.1 Тел (факс:+7 (40431) Z-62-5B Тол (факс 1+7 (48431) 2-64-74 E-mail :metanfc; niopaz.ru www.kalucjagafmash.ru

Наше предприятие является первым coj>','i:i<i im производителей Аптомобилыплл гпзомлполиитолъных íMvíTjiL'C^.ipHW* tTMHLun- АП-iKC на гс|Ми Гйдйи Роисинскои Феде^ит*

Мы осуществляем полный комплекс работ включая индивидуальное проектирование оборудования АГНКС. производство и продажу полнокомплектны* АГНКС и отдельных технологических блоков: «ионтарные и пусхо-нзладочные работы оборудования с обстце м н ого пр сиз воде т ва и други * п роиэводнтсле се рвисн ое га р антийнсе и постгарантийное обслуживание, модернизацию денегвующих АГНКС. поставку н монтаж баллонов высокого давлении производства компании Wort hington Су Ii nders GmbH, Австрия и ГБО ведущих мировых производителей.

Сею дня Ifcl iijjL'fljiprsD.u.

- Полнокомплектные станции АГНКС-Ю0 MS0! 2001300 на базе га зовы к компрессоров типа А ГШ прош ас детва Уральского компрессорного за вода г

- Пол некомплектные станции АГНКС - 100 I 150 I 200 I 250 I 300 М00 на базе компрессоров типа 680DE vi 7S0DE производства компании Sicom a.r.l,, Италия;

- Установку осушки газа УОГМ-ЮООМ-6 пятого поколения ( возможна привязка к АПН КС любых производителей );

- Компенсаторы давления газа блсшого исполнения объемом 2.4 I 3,6 М.В мЭ;

- Баллоны аысокого давления ( автомобильные ) и ГБО, для переоборудования автотранспорта на газомоторное топливо.