Tractoare cu gaze naturale

Pentru a hrăni omenirea în creștere, agricultura mondială trebuie să ofere un produs din ce în ce mai mare. Mașina de bază pentru lucrările agricole este tractorul. Numărul de tractoare utilizate este în continuă creștere, producând în prezent două milioane de centrale pe Pământ în fiecare an. Datorită scăderii preconizate a producției de petrol, funcționarea tractoarelor se va deplasa către propulsie alternativă în următorul deceniu. Cantitatea rezervelor de gaze naturale este mult mai mare decât rezervele de petrol, acesta fiind unul dintre motivele pentru care interesul s-a îndreptat către motoarele alimentate cu gaze naturale.

Se știe că petrolul care alimentează vehiculele de astăzi se va epuiza mai devreme sau mai târziu. Volumul producției de petrol în deceniu nu va putea ține pasul cu cererea tot mai mare. Din fericire, odată cu posibila extracție a surselor neconvenționale de petrol (de exemplu, șistul petrolier), o cantitate semnificativă de țiței va fi disponibilă omenirii pentru aproximativ poate o sută de ani.

O creștere treptată a prețului țițeiului va facilita tranziția la combustibili alternativi și sisteme de propulsie alternative (de exemplu, electrice) pentru vehicule rutiere, mașini mobile industriale și centrale electrice agricole.

Motoarele cu ardere internă funcționau cu gaz (gaz de iluminat) la naștere. Benzina ieftină și ieftină și ulterior motorina au devenit propulsorii dominanți. Se așteaptă din nou utilizarea motoarelor cu ardere internă pe bază de gaz.

Gazul natural ca propulsor

Conținutul de metan al gazelor naturale este de obicei de 95-98%, restul fiind etan, propan, butan, dioxid de carbon și azot. Metanul (CH4) este un bun combustibil pentru motor, amestecul de aer-metan poate fi aprins prin aprindere prin scânteie, numărul său octanic este mai mare de 120, 1 kg de metan este de 1,408 Nm 3 (metri cubi normali), puterea calorică a metanului pur este de 32,7 MJ/Nm 3 .

Gazul natural este utilizat ca propulsor pentru un motor cu ardere internă în două forme: GNC (gaz natural comprimat) la 200-250 bari și gaz natural lichefiat (GNL) la -162 o C la 1 bar sau -125 o C la 10 bari temperatura sub. Depozitarea gazelor naturale într-un vehicul nu este ușoară. Depozitarea GNC necesită rezervoare mari, rezistente la presiune, în timp ce depozitarea GNL necesită un termos tehnic și criotanc.

Datorită „poluanților” (etan, propan, butan), este posibil ca conținutul mediu de energie al unui metru cub de gaz natural să fie mai mare decât cel al metanului pur, de obicei 33-35 MJ/Nm 3. Presupunând o putere calorică de 34 MJ pentru gazele naturale și o densitate de 0,78 kg/Nm 3, puterea calorică de 1 kg de GNC este de 43,59 MJ/kg. 1 kg de GNC poate fi achiziționat la stația de alimentare (există 10 în Ungaria) pentru aprox. Echivalent cu 1,5 litri de motorină. GNC purificat pe bază de biogaz constă aproape în totalitate din metan și o cantitate mică de dioxid de carbon rezidual.

Cantitatea rezervelor de gaze naturale este mult mai mare decât rezervele de petrol. Prețul gazelor naturale este relativ mai mic decât cel al motorinei convenționale, iar motorul are emisii mai mici atunci când este utilizat. Acesta este unul dintre motivele pentru care producătorii și operatorii de vehicule comerciale și de pasageri (autobuze, camioane, vehicule urbane comunale) au apelat la gazul natural.

Doar câțiva producători de tractoare sunt implicați în prezent în utilizarea combustibililor cu gaze naturale. În Ungaria nu a fost încă testat niciun tractor cu gaz natural. Principalele companii industriale de motoare diesel produc motoare cu gaz natural pentru agricultură. Motoarele pe gaz natural pot funcționa și pe gaz metan și biogaz comprimat. În prezent, s-au dezvoltat mai multe metode pentru funcționarea cu gaze naturale (metan) a motoarelor cu ardere internă, acestea fiind următoarele: pur gaz natural, modele mixte și dual-mode.

Figura 1. Schița construcției unui motor cu aprindere prin scânteie, alimentat cu metan (Sursa: www.auto.bme.hu)

Motor pur pe gaz natural (combustibil mono)

Motorul pe gaz natural poate fi bazat atât pe un motor diesel, cât și pe un motor Otto. Gazul natural poate fi amestecat cu aer în galeria de admisie sau injectat în galeria de admisie din fața supapei sau injectat direct în camera de ardere a motorului.

Amestecul gaz-aer este mai greu de aprins decât de ex. amestecul diesel-aer, prin urmare, în timpul proiectării unui motor diesel, pe lângă modificarea sistemului de alimentare cu combustibil, motorul trebuie să fie alimentat cu o aprindere electrică cu scânteie (Figura 1).

Figura 2. Motor Cummins ISX 12G 298 kW (400 CP) CNG (Sursa: www.cumminswestport.com)

Figura 3. Cap de amestecare aer Cummins ISX 12 G motor GNC (sursă: www.cumminswestport.com)

O supapă de amestecare este utilizată pentru a produce amestecul gaz-aer după supapa de accelerație. Motorul funcționează în esență ca un motor Otto cu control al volumului. Seria ISX de motoare americane Cummins pe gaz natural pentru utilaje agricole are, de asemenea, acest design (Figura 2). Capul de amestecare gaz natural-aer al acestor motoare este ilustrat în Figura 3. Se poate observa din figură că mai mulți senzori sunt utilizați pe capul de amestecare pentru a servi electronicele avansate de control al motorului și pentru a produce amestecul ideal de gaz-aer stoichiometric.

Figura 4. Aprinderea amestecului de gaz natural-aer cu bujie incandescentă (Sursa: www.westport.com)

Introducerea directă a combustibilului gazos în camera de ardere a fost efectuată recent de un injector de injecție de gaz (CNG-DI), prin controlul căruia este implementat controlul calității, motorul funcționează ca un motor diesel. Aprinderea amestecului gaz-aer natural, pe baza unui brevet de la Westport, Canada (aprindere la suprafață fierbinte), este ajutată de utilizarea unei bujii incandescente continue 1100-1400 0 C pentru motoarele diesel (Figura 4).

Figura 5. Diagrama debitului injectorului HPI Westport (Sursa: www.westport.com) 1. Ac diesel; 2. carcasa injectorului; 3. ac de gaze naturale

Figura 6. Delphi și Westport au dezvoltat împreună injectoare HPDI (Sursa: www.westport.com)

În cazul injecției directe, aprinderea optimă a amestecului de gaz natural-aer din camera de ardere poate fi realizată și prin injectarea mai întâi a unei cantități mici (pilot) de motorină înainte de sfârșitul ciclului de compresie pentru a începe arderea, urmată imediat prin injectarea gazului de lucru complet (Fig. 5). figura). Westport numește această tehnologie „bujie lichidă” HPPI (High Pressure Direct Injection). Injectorul revoluționar, brevetat, are un design cu dublu injector, iar electronica de comandă a motorului oferă impulsuri electrice către două bobine magnetice pentru a deschide ace. Injectorul HPDI, dezvoltat în comun de Delphi și Westport, este deja la HPDI v 0.2 în versiunea a doua generație (Figura 6). Această soluție nu înseamnă funcționare mixtă sau dublă, deoarece mai mult de 95% din energia cinetică furnizată de motor provine din gaze naturale.

Motor mixt pe gaz natural

Un motor hibrid pe gaz natural folosește atât gaz natural, cât și motorină, deci este numit și „motor diesel-gaz”. Proiectarea motorului este foarte simplă, deoarece motorul diesel de bază este completat cu un dispozitiv care furnizează gaze naturale către galeria de admisie. Desigur, în cazul unui motor mixt pe gaz natural, nu este necesar un echipament suplimentar de aprindere și, dacă gazul natural se epuizează, motorul poate continua să funcționeze la o putere mai mică până când este disponibil combustibil diesel.

În cazul unui motor mixt cu gaz natural, cantitatea de gaz natural, exprimată în termeni de conținut energetic, dă 10-35% din energia totală. Economiile de combustibil sunt mai mici, dar emisiile nocive de evacuare sunt semnificativ mai mici pentru motoarele diesel. Nici autoritățile maghiare nu susțin utilizarea motoarelor hibride cu gaz natural în tehnologia vehiculelor rutiere.

Figura 7. Schema sistemului de alimentare cu combustibil al sistemului Bosch Dual Fuel (Sursa: Bosch) 1. regulator de presiune a gazului; 2. senzor de presiune și temperatură a aerului; 3. supapă de accelerație; 4. supapă de control turbo; 5. Sonda Lambda; 6. Controler CNG; 7. controler diesel; 8. cilindru GNC; 9. senzor de viteză; 10. pedala de accelerație; 11. injector GNC; 12. senzor de lovitură; 13. senzor de temperatură; 14. injector diesel; 15. senzor de lovitură; 16. pompa de inalta presiune; 17. common rail diesel; 18. filtru combustibil diesel; 19. catalizator de oxidare; 20. rezervor de motorină; 21. senzor de presiune și temperatură; 22. Colector de GNC

Motor dual Fuel

Motorul cu combustibil dublu pe gaz funcționează împreună cu motorina și gazul natural și poate fi utilizat doar cu motorină. Figura 7 prezintă o schemă a sistemului de alimentare cu combustibil al sistemului de combustibil dual Bosch, conform căruia sistemul de alimentare cu combustibil common rail al motorului diesel cu injecție directă (imaginea din dreapta) este completat de un sistem de injecție cu admisie a gazului natural (mijloc în figură) ). Cu acest sistem de alimentare cu combustibil, motorul cu două combustibili pe gaz începe ca un motor diesel și, după încălzire, trece la aprox. 15% motorină și 85% gaz natural pentru funcționare mixtă. Alimentarea cu gaze naturale poate fi oprită, iar motorul va continua să funcționeze în modul diesel complet. Dacă rămâi fără gaz natural, poți lucra în continuare la un tractor cu un astfel de motor. În ceea ce privește opțiunile de realimentare, un astfel de vehicul poate fi reumplut aproape oriunde, deci aceasta ar putea fi cea mai practică soluție tehnică la începutul utilizării tractoarelor pe gaz natural. Următoarele sunt câteva dintre cele mai cunoscute tractoare cu gaz natural.

Figura 8. Tractor tip Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel (Sursa: www.landtechnikmagazin.de)

Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel

În 2009, Valtra a introdus primul tractor dual-fuel, Dual Fuel, dezvoltat de la N101. De atunci, fabrica a oferit membrilor T133 HiTech și, mai recent, Seria N N103.4, N113 și N123 Dual Fuel pentru vânzare în cantități limitate.

Motorul diesel al tractorului „Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel” (Fig. 8) este, de asemenea, echipat cu un sistem de alimentare cu combustibil biometan. Datorită designului Dual Fuel, 162 litri de biometan sau GNC pot fi realimentați în rezervoare compozite la o presiune de 200 bari. Motorul pornește în modul diesel și trece la 17% motorină și 83% funcționare dublă pe gaz atunci când temperatura de funcționare este atinsă. Motorul cu 4 cilindri, de 4,4 litri, turboalimentat produce 89 kW (121 CP) (la fel ca și versiunea diesel) și oferă economii de 20-35% la costul combustibilului atunci când se utilizează combustibil dual. Tractorul poate opri motorul înapoi pentru a curăța motorina în orice moment.

Figura 9. Tractor New Holland T6.180 Methane Power (Sursa: www.newholland.com)

Figura 10. Motor FPT pe gaz natural cu denumirea seriei NEF 6 NG (Sursa: www.fptindustrial.com)

New Holland T6.180 Methane Power

New Holland produce tractoare GNC și biometan. Tractorul New Holland T6.180 Methane Power de a doua generație a fost prezentat la SIMA 2017 (Figura 9). Motorul tractorului este un motor FPT pe gaz natural (seria NEF 6 NG) (Fig. 10) cu aprindere prin scânteie, turbocompresor 132 kW (179 CP). Tractorul are 9 buc. Rezervorul de gaz poate stoca 300 litri (52 kg) de GNC sau biometan concentrat, ceea ce este suficient pentru aproximativ șase ore de lucru. Comparativ cu un motor diesel convențional, New Holland spune că acest tractor poate economisi până la 25% din costurile combustibilului, în timp ce emite cu 80% mai puțin CO2. Compania declară că emisiile de gaze de eșapament respectă reglementările din etapa V care vor intra în vigoare în viitorul apropiat.

Figura 11. Tractor universal ușor Agromash 85TK METHANE (Sursa: www.agromash.com)

Agromash 85TK METHANE

Fabrica de tractoare Agromash din orașul rus Cheboksary produce două tipuri de tractoare metan în serie. Tipul mai puternic este marcat cu „Agromash 85TK METHANE” (Figura 11). Motorul tractorului universal ușor cu tracțiune integrală este un motor cu aprindere prin scânteie, D145TG, cu 4 timpi, 4 cilindri, răcit cu aer. Motorul livrează 60,7 kW (82,5 CP) la 2.100 rpm.

Figura 12. Tractor Steyr Profi 4135 Natural Power cu gaz natural (Sursa: www.steyr-traktoren.com)

Steyr Profi 4135 Natural Power

Tractorul Steyr Profi 4135 Natural Power este extrem de ecologic. Cu un motor Fiat FPT care funcționează pe gaz natural pur (combustibil mono), gazul de evacuare brut emite 99% mai puține particule, 95% mai puțini oxizi de azot și 25% mai puține emisii de CO2 comparativ cu funcționarea diesel. Conform măsurătorilor anterioare austriece, acest tractor alimentat cu gaz poate economisi aproape 40% din costurile combustibilului comparativ cu omologii săi diesel.

Figura 13. Tractor universal Deutz-Fahr Agrotron 5120C methaangas (Sursa: www.agrifoto.nl)

Deutz-Fahr 5120C

La Agritechnica 2015, SAME Deutz-Fahr a prezentat un prototip de tractor alimentat cu GNC marcat cu „D-F Agrotron 5120C methaangas” (Figura 14). Tractorul are un motor Deutz TCD de 3,6 litri, 90 kW (122 CP), cu putere maximă, cu aprindere prin scânteie. Cele 8 buc. Într-un rezervor de GNC (cu un volum de 316 litri) aprox. Se pot depozita 60 kg GNC, ceea ce este suficient pentru 6-8 ore de muncă agricolă. Motorul ecologic îndeplinește, de asemenea, standardele de mediu Stage V proiectate, utilizând un catalizator cu trei căi optimizat cu metan, AdBlue sau sistem de filtrare a particulelor. Utilizarea GNC economisește 30-40% din costurile combustibilului în comparație cu funcționarea cu motorină.

Dr. Vilmos Varga

Facultatea de Inginerie Mecanică SZIE, Departamentul Tehnologia Vehiculelor,
Gödöllő