Трактори с природен газ; Селскостопански сектор
За да подхрани нарастващото човечество, световното земеделие трябва да предоставя непрекъснато нарастващ продукт. Основната машина за селскостопанска работа е тракторът. Броят на използваните трактори непрекъснато нараства, като в момента произвежда два милиона електроцентрали на Земята всяка година. Поради очаквания спад в производството на петрол, работата на тракторите ще премине към алтернативно задвижване през следващото десетилетие. Количеството запаси от природен газ е много по-високо от запасите от нефт, което е една от причините, поради които интересът се насочи към двигателите с природен газ.
Добре известно е, че суровият нефт, който подхранва днешните превозни средства, рано или късно ще свърши. Обемът на производството на петрол в рамките на едно десетилетие няма да може да се справи с нарастващото търсене. С възможното извличане на неконвенционални петролни източници (например петролни шисти), за щастие ще има значително количество суров нефт на разположение на човечеството за приблизително около сто години.
Постепенното увеличение на цената на суровия петрол ще улесни прехода към алтернативни горива и алтернативни задвижващи системи (например електрически) за пътни превозни средства, индустриални мобилни машини и селскостопански електроцентрали.
Двигателите с вътрешно горене са работили на газ (осветление газ) при раждането. Евтиният и евтин бензин, а по-късно и дизеловото гориво се превърнаха в доминиращо гориво. Отново се очаква използването на газови двигатели с вътрешно горене.
Природен газ като гориво
Съдържанието на метан в природния газ обикновено е 95-98%, като останалата част е етан, пропан, бутан, въглероден диоксид и азот. Метанът (CH4) е добро моторно гориво, въздушно-метановата смес може да се запали чрез искрово запалване, неговото октаново число е по-високо от 120, 1 кг метан е 1.408 Nm 3 (нормални кубични метри), калоричността на чистия метан е 32,7 MJ/Nm 3 .
Природният газ се използва като гориво за двигател с вътрешно горене в две форми: CNG (компресиран природен газ) при 200-250 бара и втечнен природен газ (LNG) при -162 o C при 1 bar или -125 o C при 10 bar температура под. Съхраняването на природен газ в превозно средство не е лесно. Съхранението на СПГ изисква големи резервоари, устойчиви на налягане, докато съхранението на ВПГ изисква технически термос и криотанк.
Поради „замърсители“ (етан, пропан, бутан) е възможно средното енергийно съдържание на кубичен метър природен газ да е по-високо от това на чистия метан, обикновено 33-35 MJ/Nm 3. Ако приемем калоричност 34 MJ за природен газ и плътност 0,78 kg/Nm 3, калоричността 1 kg CNG е 43,59 MJ/kg. 1 кг СПГ може да бъде закупен на бензиностанцията (в Унгария има 10) за около Еквивалентно на 1,5 литра дизелово гориво. Пречистеният СПГ на базата на биогаз се състои почти изцяло от метан и малко количество остатъчен въглероден диоксид.
Количеството запаси от природен газ е много по-високо от запасите от нефт. Цената на природния газ е относително по-ниска от тази на конвенционалния дизел, а двигателят има по-ниски емисии, когато се използва. Това е една от причините производителите и операторите на пътнически и търговски превозни средства (автобуси, камиони, градски комунални превозни средства) да се насочат към природния газ.
Понастоящем само няколко производители на трактори участват в използването на горива от природен газ. Все още в Унгария не е тестван нито един трактор с природен газ. Основните индустриални компании за дизелови двигатели правят двигатели с природен газ за селско стопанство. Двигателите с природен газ също могат да работят на метан и компресиран биогаз. В днешно време са разработени няколко вида методи за работа с природен газ (метан) на двигатели с вътрешно горене, това са следните: чисто природен газ, смесени и двурежимни конструкции.
Фигура 1. Схема на конструкцията на двигател с искрово запалване, задвижван от метан (Източник: www.auto.bme.hu)
Чисто двигател с природен газ (моно гориво)
Двигателят с природен газ може да се основава както на дизелов двигател, така и на двигател Otto. Природният газ може да се смесва с въздух във всмукателния колектор или да се впръсква във всмукателния колектор пред клапана или да се впръсква директно в горивната камера на двигателя.
Сместа природен газ-въздух е по-трудна за запалване, отколкото напр. дизелово-въздушната смес, следователно по време на проектирането на дизелов двигател, в допълнение към модификацията на системата за подаване на гориво, двигателят трябва да бъде снабден с електрическо запалване с искри (Фигура 1).
Фигура 2. Cummins ISX 12G 298 kW (400 к.с.) CNG двигател (Източник: www.cumminswestport.com)
Фигура 3. Cummins ISX 12 G CNG двигател за смесване на въздух с природен газ (Източник: www.cumminswestport.com)
Смесителен клапан се използва за получаване на газово-въздушна смес след дроселната клапа. Двигателят по същество работи като двигател на Otto с контрол на силата на звука. Серията ISX на американските двигатели за природен газ Cummins за селскостопанска техника също има този дизайн (Фигура 2). Смесителната глава на природен газ-въздух на тези двигатели е илюстрирана на фигура 3. От фигурата може да се види, че няколко сензора се използват върху смесителната глава, за да обслужват усъвършенстваната електроника за управление на двигателя и да произвеждат идеалната стехиометрична смес газ-въздух.
Фигура 4. Запалване на смес от природен газ и въздух с подгревна свещ (Източник: www.westport.com)
Прякото подаване на газообразното гориво до горивната камера се извършва по-скоро от инжектор за впръскване на газ (CNG-DI), чрез контрола на който се осъществява контрол на качеството, двигателят работи като дизелов двигател. Запалването на сместа природен газ-въздух, основано на патент от Westport, Канада (Запалване с гореща повърхност), се подпомага от използването на непрекъсната подгревна свещ 1100-1400 0 C за дизелови двигатели (Фигура 4).