LŽŪU Transporto ir jėgos mašinų katedros Variklių bandymo laboratorijoje buvo atlikti išsamūs dyzelinio variklio D-243 stendiniai bandymai, kuriais palyginti tradiciniais dyzeliniais degalais ir Estijos bendrovėje „Viru Ölitööstus Ltd. Kohtla-Järve“ pagamintu skalūnų kuru varomo variklio baziniai atskaitos parametrai. Straipsnyje pateikiami tyrimų rezultatai.

Variklio apkrovą padidinus nuo vidutinės (pe³0,4 MPa) iki didžiausios, skalūnų kuru maitinamo variklio efektyvusis naudingumo koeficientas palaipsniui didėja iki maksimalios 0,33 reikšmės. Esant tam pačiam sūkių diapazonui (n = 1 400–2 000 min-1), variklio apkrovai sumažėjus nuo normalios iki nedidelės (pe£0,4 MPa), efektyvusis naudingumo koeficientas mažėja, mažėjant apkrovai, daug greičiau negu dirbant tradiciniais dyzeliniais degalais. Išimtis tik maksimalūs alkūninio veleno sūkiai 2 200 min-1: variklio efektyvusis naudingumo koeficientas visoje mažų apkrovų srityje išlieka gerokai aukštesniame lygyje.

Varikliui dirbant skalūnų kuru, šiluminės energijos konversijos efektyvumas yra mažesnis, nes klampių degalų išpurškimo ir susmulkinimo kokybė blogesnė. Be to, tai susiję su degalų ir oro degiojo mišinio sudėties pokyčiais bei su skalūnų chemine sandara susijusiais degimo ypatumais. Kaip matyti grafikuose, esant vienodai apkrovai, didesnį tankį ir mažesnį H/C santykį bei šilumingumą turintis skalūnų kuras nepajėgia užtikrinti dyzeliniams degalams būdingo šiluminės konversijos lygio. Manoma, kad didesnis tankis ir aukštesnė klampa bei mažesnis garingumas apsunkina išpurškiamo kuro garavimą ir jo sumaišymą su kameroje esančiu oru.

Alternatyvūs degalai su panašiomis į skalūnų kurą savybėmis turi mažesnį cetaninį skaičių ir ilgesnį savaiminio užsiliepsnojimo trukmės periodą. Tai didina per indukcinį periodą įpurkštų į kamerą degalų kiekį ir skatina nekontroliuojamą jų degimą, ypač kinetinėje degimo proceso fazėje.

Kenksmingos medžiagos

Varikliui dirbant dyzeliniais degalais, kenksmingų aplinkai NOx emisija plačiame sūkių kitimo diapazone palaipsniui didėja, didėjant apkrovai, pasiekdama viršutiniame lygyje maksimalias 2 025–2 166 ppm reikšmes. Skirtingai dyzeliniams degalams, variklį išbandant skalūnų kuru, NOx emisija minėtame sūkių diapazone taip pat didėja, didėjant apkrovai, tačiau, esant jos vidutinei pe = 0,3 MPa reikšmei, išlieka atitinkamai 62, 72 ir 17 proc. mažesnė. Pastebėta, kad kuo didesnis alkūninio veleno sukimosi dažnis, tuo pasiekiamas didesnis dujų slėgis ir temperatūra cilindre. Dėl to, dirbant vidutine apkrova skirtingos cheminės struktūros degalais, gaunami mažesni NOx emisijos skirtumai.

Azoto oksidai NO susiformuoja už liepsnos fronto ribos aukštos temperatūros (per 2 000 K) sudegusių dujų aplinkoje chemiškai jungiantis azoto ir deguonies atomams bei molekulėms. Kuo aukštesnė sudegusių dujų temperatūra cilindre, tuo didesnės NO emisijos galima tikėtis. Nors azoto oksidų jungimosi ir skilimo reakcijos nėra tiesiogiai susietos su alternatyvaus kuro degimu, tačiau šių teršalų kiekis deginiuose labai priklauso nuo dujų maksimalios temperatūros cilindre ir degimo proceso ypatumų. Nesunku paaiškinti, kodėl NOx emisija taip sparčiai mažėja, mažėjant variklio sukimosi dažniui ir išorinei apkrovai. Kaip jau minėta, varikliui dirbant šioje išskirtinėje apkrovos srityje, skalūnų kuro degimo efektyvumas yra labai mažas, todėl sumažėja maksimali ciklo temperatūra ir savaime išnyksta sąlygos, reikalingos normaliam NOx kiekiui susiformuoti.

Nepaisant ganėtinai lėto NOx kiekio didėjimo pradinėje apkrovos stadijoje, vėliau azoto oksidų koncentracija deginiuose, didėjant apkrovai, sparčiai didėja. Padidėjus cikliniam įpurškiamų skalūnų kiekiui, didėja dujų maksimalus slėgis cilindre ir jų temperatūra. Variklio apkrovai pasiekus pe ³ 0,45–0,50 MPa ribą, skalūnų kuro išskiriama NOx emisija viršija bazinį dyzelinių degalų emisijos lygį ir sparčiai didėja toliau. Palyginti su baziniu dyzelinių degalų emisijos lygiu, skalūnų kuru veikiančio dyzelinio variklio NOx emisija maksimalaus sukimo momento ir vardinės galios režimuose yra atitinkamai 21,8 ir 27,6 proc. didesnė.

Maksimali skalūnų kuro NOx koncentracija deginiuose pasiekia 2 740–2 820 ppm ribą ir praktiškai nepriklauso nuo variklio sukimosi dažnio. Didesnę NOx emisiją, esant maksimaliai variklio apkrovai, galima paaiškinti didesniu azoto kiekiu skalūnų kuro sudėtyje, kuris, veikiamas aukštos dujų temperatūros, konvertuoja į NO. Taigi bendras NOx emisijos kiekis, degant alternatyviam kurui, priklauso ne tik nuo maksimalios dujų temperatūros cilindre, bet ir nuo kuro rūšies bei jo cheminės sudėties. Jeigu pačiame kure yra azoto, tai esant palankioms sąlygoms maksimali azoto oksidų koncentracija deginiuose taip pat didesnė.

Remiantis amerikiečių mokslininkų tyrimais, NO kiekis, išsiskiriantis degant azotu bei deguonimi prisodrintiems degalams, yra labai jautrus oro ir degalų mišinio sudėčiai ir beveik nepriklauso nuo dujų temperatūros cilindre. Tai iš esmės skiriasi nuo tradicinės teorijos apie azoto oksidų atsiradimą deginiuose, kai įprastinių dyzelinių degalų atveju išskiriama NO emisija susidaro iš aplinkos ore esančio azoto ir jos kiekis ypač priklauso nuo dujų temperatūros cilindre.

Iš bandymo duomenų matyti, kad, nepriklausomai nuo tiesioginio įpurškimo variklyje naudojamų degalų rūšies, bendroji

azoto oksidų emisija tik šiek tiek priklauso nuo alkūninio veleno sukimosi dažnio ir su juo tiesiogiai susijusiu dujų sūkuriavimo intensyvumu cilindre. Panašias NOx kitimo tendencijas patvirtina ir anksčiau atlikti dyzelinio variklio tyrimai. Maksimali NO2 koncentracija bendrame azoto oksidų emisijos fone, esant nedidelei apkrovai, siekia maždaug 21 proc., tačiau, varikliui dirbant vidutine ir maksimalia apkrova, ji sumažėja iki minimalaus 10 proc. lygio ir praktiškai nepriklauso nuo variklio sukimosi dažnio bei degalų cheminės sudėties.

Remiantis rezultatų analize, variklio apkrovai padidėjus iki tam tikros pe³0,6 MPa reikšmės, CO emisija abiejų tiriamųjų degalų atveju palaipsniui pradeda kilti. Taip atsitinka dėl to, kad didelės įpurkštų degalų porcijos nevisiškai sudega, nes kai kuriose degimo kameros vietose tiesiog pritrūksta deguonies. Kita vertus, skalūnų kuru maitinamo variklio apkrovai sumažėjus labiau negu pe = 0,4 MPa, CO emisija mažų sūkių srityje taip pat sparčiai didėja, pasiekdama 4 000 ppm ribą.

Nustatyta didelė CO koncentracija deginiuose derinasi su blogu skalūnų kuro degimo efektyvumu, mažesne dujų temperatūra cilindre ir nedidele NOx emisija šiame variklio darbo režime. Variklio sukimosi greičiui padidėjus iki vardinių
2 200 min-1 sūkių, skalūnų kuro išskiriama CO emisija netgi mažos apkrovos srityje tampa gerokai mažesnė, nors ir toliau išlieka maždaug dvigubai didesnė, palyginti su tradicinių degalų emisija.

Manoma, kad mažesnė anglies viendeginio emisija variklio vardiniame režime gaunama dėl padidėjusio įpurškimo slėgio ir geresnio skalūnų kuro susmulkinimo. Paskutinis, bet ne pats menkiausias veiksnys, galintis turėti įtakos nedidelių skalūnų kuro porcijų išskiriamos CO emisijos mažinimui, yra didesnė dujų temperatūra cilindre, kuri pasiekiama, esant didesniam sukimosi dažniui.

Deginių dūmingumas

Dyzelinio variklio išmetamų dujų optinis skaidrumas labai priklauso nuo suodžių ir kitų nevisiškai sudegusio kuro dalelių kiekio deginiuose. Tačiau, kaip rodo pastarieji tyrimai, jeigu dėl blogo skalūnų kuro degimo dujų temperatūra cilindre sumažėja iki kritinės ribos, daugybė nesudegusio kuro dalelių balkšvo aerozolio pavidalu pasklinda su išmetamais į aplinką deginiais, didindamos bendrą optinį deginių foną.

Esant vienodoms bandymų sąlygoms, su deginiais išmetamų suodžių dalelių kiekis labai priklauso nuo santykinio anglies kiekio degalų sudėtyje, kurio skalūnų kure yra 13 proc. daugiau. Tačiau skalūnų kuro sudėtyje yra gerokai didesnis ir deguonies kiekis, kuris skatina dideles kuro porcijas visiškai sudegti, ypač lokaliai pariebinto degiojo mišinio srityse. Nuo šių dviejų veiksnių įtakos suodžių dalelių oksidacijai priklauso deginių dūmingumas.

Dyzeliniam varikliui dirbant vardiniu sukimosi dažniu ir maža bei vidutine apkrova, skalūnų kuro išskiriamas deginių dūmingumas neviršija 10–15 proc. ir yra dyzeliniams degalams būdingame dūmingumo lygyje. Variklio apkrovai padidėjus iki maksimalios, deginių dūmingumas palaipsniui didėja, tačiau išlieka maždaug 30–35 proc. mažesnis negu dirbant tradiciniais dyzeliniais degalais. Tokia tendencija pastebima visame variklio sūkių kitimo diapazone.

Mažesnis variklio deginių dūmingumas gaunamas, nepaisant santykinai didesnio anglies kiekio skalūnų kure ir 10 kartų didesnio policiklinių aromatinių angliavandenilių kiekio jo sudėtyje. Tai iš esmės prieštarauja daugelio mokslininkų tradiciniams degalams taikytinai nuomonei, kad būtent aromatiniai angliavandeniliai labiausiai skatina deginių dūmingumą. Šį faktą galima paaiškinti tuo, kad, varikliui dirbant maksimalia apkrova, didelės įpurkšto skalūnų kuro porcijos geriau sudega, nes lokalinėse riebaus degiojo mišinio oksidacijos reakcijose papildomai dalyvauja skalūnų cheminėje struktūroje esantis deguonis.

Deguonies skalūnų kure, kaip jau minėjome, yra gerokai (kartu su azotu iki 7–8 proc.) daugiau negu įprastiniuose dyzeliniuose degaluose. Apie skalūnų kuro didelių porcijų gerą sudegimą cilindre, įskaitant ir aromatinius angliavandenilius, netiesiogiai liudija šviesesnė deginių spalva ir to paties dydžio arba 5–15oC mažesnė jų temperatūra, kuri tiesiogiai matuota išmetimo kolektoriuje.

Variklio apkrovai sumažėjus iki pe = 0,4 MPa, deginių dūmingumas, esant sumažintam n = 1 800–1 600 min-1 sukimosi dažniui, palaipsniui ir vėl pradeda kilti. Kai dyzeliniais degalais maitinamas traktorius dirba maksimalia apkrova, paprastai iš kamino veržiasi tamsiai juodi dūmai. Degant skalūnų kurui, mažų sūkių ir nedidelės apkrovos srityje, išmetamos dujos įgauna balkšvą atspalvį. Manoma, kad kartu su deginiais aplinkos ore pasklinda nesudegusio kuro garai ir netgi smulkūs jo lašeliai. Šis fenomenas liudija apie visiškai skirtingą skalūnų dūmų kilmę nedidelių apkrovų srityje. Optinį skaidrumą mažinantys balti garai iš esmės sudaryti iš nevisiškai sudegusių skalūnų aerozolio.

Variklio apkrovai ir sukimosi dažniui sumažėjus iki kritinės ribos, mažos skalūnų porcijos degimas žemos dujų temperatūros aplinkoje tiek pablogėja, kad pakankamai dideli nesudegusio kuro lašeliai filtre-nusodintuve atskiriami kartu su vandens kondensatu. Dėl šios priežasties dūmingumo matavimo prietaisas Bosh negali daugiau jų aptikti. Štai kodėl, varikliui dirbant minimaliais sūkiais n = 1 400 min-1 ir maža apkrova, išmatuotas skalūnų dūmingumas taip neįtikėtinai mažas, palyginti su tais duomenimis, kurie gauti, esant tai pačiai apkrovai, didesnio sukimosi dažnio
1 600–1 800 min-1 srityje.

Varikliui dirbant dyzeliniais degalais, deginių dūmingumas, kintant apkrovai, didėja palaipsniui. Šiuo atveju alkūninio veleno sūkių dažnis neturi didesnės įtakos dūmingumo kreivės kitimui. Labiau intensyvus deginių dūmingumas buvo pastebėtas tik esant vardiniams variklio sūkiams ir maksimaliai apkrovai.

Panaudojus skalūnų kurą, nesudegusių angliavandenilių kiekis deginiuose išlieka labai mažas ir neviršija 10–25 ppm, t.y.dyzeliniam varikliui būdingo CH emisijos lygio. Todėl sunku nustatyti apčiuopiamas CH emisijos kitimo tendencijas, kintant variklio sukimosi dažniui ar apkrovai, kadangi gauti matavimų duomenys banguoja išilgai abscisių ašies, išskyrus nebent šiek tiek didesnę skalūnų kuro CH emisiją mažų sūkių ir nedidelės apkrovos srityje. Šiame režime CH emisija turi tendenciją didėti mažėjant apkrovai dėl, kaip jau minėjome, nestabilaus variklio darbo.

Nepaisant 32 kartus didesnio sieros kiekio skalūnų kure, sieros dvideginio kiekis deginiuose kito, kintant variklio sukimosi dažniui ir apkrovai, palyginti nedidelėse 13 ir 54 ppm ribose. Vidutinė SO2 emisija sudarė maždaug 25 ppm.

Reziumuojant atliktų tyrimų rezultatus, galima teigti, kad šių alternatyvių degalų negalima rekomenduoti traktorių dyzeliniams varikliams maitinti. Vilkikams ir kitoms riedančioms transporto priemonėms šis kuras taip pat netinka, nes jo sudėtyje yra daug azoto, sieros, pelenų, vandens ir kitų neorganinės kilmės priemaišų.

Skalūnų kurą reikėtų kruopščiau išvalyti ir apdoroti kokybę gerinančiais priedais, kad jis tenkintų ES reikalavimus. Tokiu atveju pigų estišką skalūnų kurą būtų galima naudoti pakrančių žvejybiniams laivams varyti ar stacionariems elektros generatoriams sukti, nes pastarieji dirba nustatytu sukimosi dažniu ir maksimalia apkrova.