Földgázüzemű traktorok

A létszámban növekvő emberiség élelmiszer-ellátásához a világ mezőgazdaságának egyre nagyobb produktumot kell biztosítania. A mezőgazdasági munkavégzés alapvető gépe a traktor. Az alkalmazott traktorok száma folyamatosan növekszik, jelenleg évente a Földön kétmillió erőgépet gyártanak. A kőolaj-kitermelés várható csökkenése miatt a traktorok üzemeltetése az alternatív hajtóanyag irányába fog elmozdulni az elkövetkező évtizedben. A földgázkészletek mennyisége jóval nagyobb a kőolajkészleteknél, többek között ezért is fordult az érdeklődés a földgáz-üzemeltetésű motorok felé.

Köztudott, hogy a mai gépjárművek hajtóanyagát szolgáltató kőolaj előbb-utóbb el fog fogyni. A kőolaj-kitermelés mennyisége egy évtizeden belül nem fog tudni lépést tartani az igények növekedésével. A nem hagyományos olajforrások (pl. olajpala) lehetséges kitermelésével szerencsés esetben megközelítőleg talán száz évig jelentős mennyiségű nyersolaj áll az emberiség rendelkezésére.

A kőolaj árának fokozatos növekedése elő fogja segíteni a közúti gépjárművek, az ipari mobilgépek és a mezőgazdasági erőgépek esetében az alternatív hajtóanyagokra, illetve alternatív hajtás (pl. villamos) rendszerekre való áttérést.

A belsőégésű motorok megszületésükkor gázzal (világító gázzal) üzemeltek. Az olcsó és kedvező tulajdonságú benzin és később a dízelgázolaj egyeduralkodó hajtóanyagokká váltak. A gáz üzemű belső égésű motorok alkalmazása újra várható.

Földgáz mint hajtóanyag

A földgáz metántartalma jellemzően 95-98%, a maradék részt etán, propán, bután, széndioxid és nitrogén alkotja. A metán (CH₄) jó motorhajtóanyag, a levegő-metán-keverék szikragyújtással meggyújtható, oktánszáma 120-nál magasabb, 1 kg metán 1,408 Nm³ (normál köbméter), a tiszta metán fűtőértéke 32,7 MJ / Nm³.

Belsőégésű motor hajtóanyagaként a földgáz kétféle formában kerül felhasználásra: 200-250 bar nyomáson sűrített földgáz CNG (Compressed Natural Gas), és folyékony földgáz LNG (Liquefied Natural Gas), amely 1bar nyomáson -162^oC, vagy 10 bar nyomáson -125 ^oC alatti hőmérsékletű. A földgáz járműben való tárolása nem egyszerű. A CNG tárolásához nagytérfogatú, nyomásálló tartályok, míg az LNG tárolásához műszaki termosz, cryotank szükséges.

A „szennyező” anyagok (etán, propán, bután) miatt lehetséges az, hogy a földgáz köbméterének átlagos energiatartalma magasabb, mint a tiszta metáné, jellemzően 33-35 MJ/Nm³. A földgáz fűtőértékét 34 MJ-nak, a sűrűséget 0,78 kg/Nm³-nek feltételezve 1 kg CNG fűtőértéke 43,59 MJ/kg. A töltőállomáson (hazánkban 10 van) vásárolható 1 kg CNG kb. 1,5 liter dízelgázolajnak felel meg. A biogázalapú tisztított CNG csaknem tisztán metánból és egy kevés maradvány szén-dioxidból áll.

A földgázkészletek mennyisége jóval nagyobb a kőolajkészleteknél. A földgáz ára relatíve alacsonyabb, mint a hagyományos dízelgázolajé, és alkalmazása esetén a motor kisebb emissziós értékekkel rendelkezik. Többek között ezért is fordult az érdeklődés a földgáz felé a személy- és haszongépjárművek (a buszok, teherautók, városi kommunális eszközök) gyártói, üzemeltetői részéről.

A traktorgyártók közül földgázhajtóanyag alkalmazásával jelenleg csak néhányan foglalkoznak. Hazánkban még nem került sor földgázüzemű traktor kipróbálására. A jelentősebb ipari dízelmotorokat gyártó vállalatok készítenek a mezőgazdaság részére földgázüzemű motorokat. A földgázüzemű motorok metángázzal és sűrített biogázzal is üzemeltethetők. A belsőégésű motorok földgáz- (metán)üzemeltetésére napjainkban több féle módozat alakult ki, ezek a következők: tisztán földgázüzemű, vegyesüzemű és kettősüzemű kialakítások.

1. ábra. Szikragyújtású, metán hajtóanyagú motor felépítésének vázlata (Forrás:www.auto.bme.hu)

Tisztán földgázüzemű (Mono Fuel) motor

A földgázüzemű motor mind dízelmotor-, mind pedig Otto-motor-alapon kialakítható. A földgáz a szívócsőben levegővel keverve vagy a szívócsatornába a szelep előtt befecskendezve, vagy a motor égésterébe közvetlenül befecskendezve juttatható be a motorba.

A földgáz-levegő-keverék nehezebben gyullad meg, mint pl. a gázolaj-levegő-keverék, ezért dízelmotorból való kialakítás során a hajtóanyag-ellátó rendszer módosításán kívül elektromos szikragyújtással kell ellátni a motort (1. ábra).

2. ábra. Cummins ISX 12 G jelzésű, 298 kW (400 LE) teljesítményű CNG motor (Forrás: www.cumminswestport.com)

3. ábra. Cummins ISX 12 G jelzésű CNG motor földgáz-levegő keverőfeje (Forrás: www.cumminswestport.com)

A gáz-levegő-keverék előállításához keverőszelepet használnak, a fojtószelep után. A motor lényegében mennyiségi szabályozással úgy működik, mint egy Otto-motor. A mezőgazdasági gépekhez gyártott amerikai Cummins földgázmotorok ISX sorozata is ilyen felépítésű (2. ábra). Ezeknek a motoroknak földgáz-levegő keverőfejét a 3. ábra szemlélteti. Az ábrából látható, hogy a keverőfejen több érzékelőt használnak, a fejlett motorvezérlő elektronika kiszolgálására és az ideális, stoichiometrianak megfelelő gáz-levegő-keverék előállítására.

4. ábra. Földgáz-levegő keverék meggyújtása izzítógyertyával (Forrás: www.westport.com)

A gázállapotú hajtóanyag közvetlen égéstérbe juttatását újabban gázbefecskendező injektor végzi (CNG-DI), ennek vezérlése révén minőségi szabályozást valósítanak meg, a motor úgy működik, mint egy dízelmotor. A földgáz-levegő-keverék meggyújtását – a kanadai Westport vállalat szabadalma alapján (Hot Surface Ignition) – a dízelmotoroknál használt 1100-1400 ⁰C hőmérsékletű folyamatos működésű izzítógyertya alkalmazása segíti (4. ábra).

5. ábra. Westport HPDI injektor működési vázlata (Forrás: www.westport.com) 1. dízelgázolaj-tű; 2. injektor ház; 3. földgáz-tű

6. ábra. Delphi és Westport közös fejlesztésű HPDI befecskendező injektorai (Forrás: www.westport.com)

Közvetlen befecskendezés esetén földgáz-levegő-keverék égéstérbeli optimális meggyújtását úgy is meg lehet valósítani, hogy a sűrítési ütem vége előtt először egy kis mennyiségű (pilot) dízelgázolajat fecskendeznek be az égés megindításához, amelyet rögtön követ a munkát szolgáltató földgáz teljes adagjának befecskendezése (5. ábra). A Westport vállalat ezt a „folyékony gyújtógyertya” technológiát HPDI-nak (High Pressure Direct Injection) nevezi. A forradalmian új, szabadalmaztatott injektor kettős porlasztótű kialakítással rendelkezik, és a motorvezérlő elektronika két mágnes tekercsnek ad villamos impulzust a tűk nyitáshoz. A Delphi és a Westport közös fejlesztésű HPDI befecskendező injektora már a második generációs kivitelnél a HPDI v 0.2-nél tart (6. ábra). Ez a megoldás nem jelent vegyes vagy kettős üzemet, mert a motor által szolgáltatott mozgásenergia több mint 95%-a földgázból származik.

Vegyes üzemű földgázmotor

A vegyes üzemű földgázmotor egyszerre használ földgázt és dízelgázolajat, ezért „dízel-gáz-motornak” is nevezik. A motor kialakítása nagyon egyszerű, mert az alap dízelmotor kiegészül a szívócsőbe földgázt juttató berendezéssel. Természetesen vegyes üzemű földgázmotor esetében nem kell kiegészítő gyújtóberendezést alkalmazni, és ha elfogy a földgáz, akkor kisebb teljesítménnyel a motor tovább üzemelhet, amíg a dízelgázolaj rendelkezésre áll.

Vegyes üzemű földgázmotor esetén energiatartalommal kifejezve a földgáz mennyisége az összenergia 10-35% értékét adja. A hajtóanyagköltség-megtakarítás kisebb, de a kipufogógáz káros emissziója jelentősen mérsékeltebb dízel-gáz-motoroknál. A magyar hatóságok a vegyes üzemű földgázmotorok alkalmazását a közúti gépjármű technikában sem támogatják.

7. ábra. Bosch Dual Fuel System (kettős üzemű gázmotor) hajtóanyag ellátó rendszerének vázlata (Forrás:Bosch) 1. gáz nyomásszabályozó; 2. levegő nyomás- és hőmérséklet szenzor; 3. fojtószelep; 4. turbó szabályozó szelep; 5. Lambda-szonda; 6. CNG vezérlő; 7. dízel vezérlő; 8. CNG palack; 9. fordulatszámszenzor; 10. gáz pedál; 11. CNG injektor; 12. kopogásszenzor; 13. hőmérsékletszenzor; 14. gázolajinjektor; 15. kopogásszenzor; 16. nagynyomású szivattyú; 17. dízel common rail; 18. gázolajszűrő; 19. oxidációs katalizátor; 20. dízelgázolajtank; 21. nyomás- és hőmérsékletszenzor; 22. CNG gyűjtő cső

Kettős üzemű (Dual Fuel) motor

A kettős üzemű gázmotor dízelgázolajjal és földgázzal együtt működik, illetve csak dízelgázolajjal is működtethető. A 7. ábrán látható a Bosch Dual Fuel System (kettős üzemű gázmotor) hajtóanyag-ellátó rendszerének vázlata, amely szerint a közvetlen befecskendezésű dízelmotor common rail hajtóanyag-ellátó rendszere (ábrán jobb oldalt) kiegészül egy földgázos szívócsatornába befecskendező rendszerrel (az ábrán középen). Ezzel a hajtóanyag-ellátó rendszerrel a kettős üzemű gázmotor dízelmotorként indul, és felmelegedés után tér át kb. 15% dízelgázolaj és 85% földgáz vegyes üzemre. A földgázadagolás lekapcsolható és ekkor a motor teljes értékű dízel üzemben működik tovább. Ha elfogy a földgáz, akkor is tovább dolgozhat az ilyen motorral ellátott traktor. A tankolási lehetőségeket tekintve egy ilyen jármű szinte bárhol utántölthető, ezért a földgázüzemű traktorok alkalmazásának kezdetén ez lehetne a legpraktikusabb műszaki megoldás. A következőkben néhány ismertebb földgázzal üzemelő traktort mutatunk be.

8. ábra. Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel típusjelzésű traktor (Forrás: www.landtechnikmagazin.de)

Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel

A Valtra 2009-ben mutatta be az első kettős üzemű, Dual Fuel traktorát, amelyet az N101 típusból alakítottak ki. A gyár az óta a T133 HiTech, legutóbb pedig az N széria N103.4, N113 és N123 Dual Fuel tagjait is kínálja korlátozott darabszámban értékesítésre.

A „Valtra N103.4 HiTech Dual Fuel” típusjelzésű traktor (8. ábra) dízelmotorja fel van szerelve biometán hajtóanyag-ellátó rendszerrel is. A Dual Fuel kialakítás révén 200 bar nyomáson a kompozit anyagú tartályokba 162 liter biometán, vagy CNG tankolható. A motor dízel üzemként indul, és az üzemi hőmérséklet elérése után átvált 17% dízelolaj és 83% gáz kettős üzemre. A 4 hengeres, 4,4 literes, turbófeltöltős motor 89 kW (121 LE) teljesítményű (megegyezik a dízeles változattal), kettős üzemanyag használata esetén 20-35% hajtóanyagköltség-megtakarítás érhető el vele. A traktoros bármikor visszakapcsolhatja a motort tiszta dízelgázolaj üzemre.

9. ábra. New Holland T6.180 Methane Power traktor (Forrás: www.newholland.com)

10. ábra. FPT gyártmányú, NEF 6 NG szériajelzésű földgáz motor (Forrás: www.fptindustrial.com)

New Holland T6.180 Methane Power

A New Holland készít CNG és biometán üzemű traktorokat. A másodig generációs New Holland T6.180 Methane Power traktort a SIMA 2017 kiállításon mutatták be (9. ábra). A traktor motorja FPT gyártmányú, NEF 6 NG szériajelzésű földgázmotor (10. ábra), amely szikragyújtású, turbófeltöltős 132 kW(179 LE) teljesítményű. A traktor 9 db. gáztartályában 300 liter (52 kg) CNG-t, vagy sűrített biometánt lehet tárolni, amely körülbelül hat óra munkavégzéshez elegendő. A hagyományos dízelmotorral összehasonlítva a New Holland szerint ezzel a traktorral akár 25% hajtóanyagköltség-megtakarítás érhető el, miközben 80%-al kevesebb széndioxidot bocsát ki. A vállalat szerint a kipufogógáz károsanyag-emissziója megfelel a közeljövőben életbe lépő Stage V előírásnak.

11. ábra. Agromash 85TK METHANE típusjelzésű könnyű univerzális traktor (Forrás: www.agromash.com)

Agromash 85TK METHANE

Az orosz Csebokszári város Agromash Traktor Gyára metán üzemű traktorok két típusát gyártja sorozatban. A nagyobb teljesítményű típus az „Agromash 85TK METHANE” jelölést viseli (11. ábra). A könnyű öszkerékhajtású univerzális traktor motorja léghűtéses, 4 ütemű, 4 hengeres D145TG jelzésű szikragyújtású gázmotor. A motor 60,7 kW (82,5 LE) teljesítményt szolgáltat 2100 percenkénti fordulatszámon.

12. ábra. Főldgázüzemű Steyr Profi 4135 Natural Power traktor (Forrás: www.steyr-traktoren.com )

Steyr Profi 4135 Natural Power

A Steyr Profi 4135 Natural Power traktor rendkívül környezetbarát. A tisztán földgázüzemű (Mono Fuel) Fiat FPT motorral, a kezeletlen kipufogógázban 99%-kal kevesebb részecske, 95%-kal kevesebb nitrogén-oxid, 25%-kal kevesebb széndioxid-kibocsátás tapasztalható a dízel üzemhez képest. Az eddigi osztrák mérések szerint ezzel a gázüzemű traktorral közel 40% üzemanyagköltség takarítható meg dízelmotoros társaihoz képest.

13. ábra. Deutz-Fahr Agrotron 5120C methaangas univerzális traktor (Forrás: www.agrifoto.nl)

Deutz-Fahr 5120C

A SAME Deutz-Fahr az Agritechnica 2015 kiállításon mutatta be a „D-F Agrotron 5120C methaangas” típusjelzésű CNG üzemű traktorának prototípusát (14. ábra). A traktor Deutz TCD 3.6-literes, 90 kW (122LE) maximális teljesítményű, szikragyújtású gázmotorral rendelkezik. A 8 db. CNG tartályban (amelynek térfogata 316 liter) kb. 60 kg CNG tárolható, ez elegendő 6-8 óra mezőgazdasági munkavégzéshez. A környezetbarát motor a tervezett Stage V környezetvédelmi előírásoknak is megfelel, a metánra optimalizált háromalkotós katalizátor, AdBlue vagy részecskeszűrő rendszer alkalmazásával. A CNG alkalmazásával 30-40%-os hajtóanyagköltség takarítható meg a dízelmotoros üzemeltetéshez képest.

Dr. Varga Vilmos

SZIE Gépészmérnöki Kar, Járműtechnika Tanszék,
Gödöllő