Konstruktoriai ir technologai įsprausti į griežtus rėmus: ateities variklis turi būti galingesnis, dar didesniame sūkių dažnio diapazone pasiekti vardinę bei maksimalią galią, privalo būti ekologiškai švaresnis, turėti daugiau elementų, tinkamų pakartotiniam perdirbimui, ir, savaime suprantama, būti ekonomiškesnis. Pabūkite jų kailyje – pabandykite sumažinti degalų sąnaudas taip, kad jos nedarytų įtakos sukimo momento charakteristikai ir jėgos agregato resursui.

Įdomu tai, kad dyzelinių variklių kenksmingų deginių emisiją išmetamosiose dujose reglamentuojančios normos apibrėžia tik 0,3 proc. išmetamų dujų sudėties. Paradoksas – visos techninės inovacijos skirtos toms nelemtoms kelioms dešimtosioms sumažinti. Tačiau žinant vidaus degimo variklių paplitimą ir kasdien jų išmetamų kenksmingų deginių kiekį, šis dydis nėra toks nežymus, kaip gali atrodyti iš pirmo žvilgsnio.

Kenksmingų deginių emisijos išmetamosiose dujose reikalavimų nuo 1996 m. ir jų kitimo iki 2015 m. dinamikoje didžiausias dėmesys skiriamas azoto oksidų, angliavandenilių ir kietųjų dalelių (suodžių) kiekiui išmetamosiose dujose mažinti.

Kietųjų dalelių arba suodžių šleifas lydi bet kokią savaeigę mašiną su kapitalinio remonto išsiilgusiu dyzeliniu varikliu. Šios dalelės, ypač nematomos plika akimi (0,01 µm arba PM10), labai pavojingos žmogaus sveikatai. Žmogaus apsauginiai filtrai (plaučiai) jų nesulaiko, todėl labai užterštose vietose padidėja vėžinių susirgimų rizika. Neatsitiktinai Europos Sąjungos šalyse numatyta riboti senų dyzelinių variklių metinį išdirbį.

Pirmieji ekologiniai reikalavimai dyzeliniams varikliams Tier I (JAV) ir Stage I (ES) įsigalėjo 1995 m. Aplinkos apsaugos agentūra (EPA – Environmental Protection Agency), 1990 m. priėmus vadinamąjį Švaraus oro nutarimą (Clean Air Act), gavo teisę nustatyti ir kontroliuoti ne transporto priemonių dyzelinių variklių kenksmingų deginių emisijas.

Vienas pirmųjų komponentų variklyje, ne tik gerinantis efektyviuosius jėgos agregato rodiklius, bet ir mažinantis kenksmingų deginių emisiją išmetamosiose dujose, buvo turbokompresorius. Vėliau variklio pripūtimo sistema papildyta tarpiniu oro aušintuvu. Nuo 1988 m. daugumos kompanijų varikliuose pasirodė pirmosios elektroninės valdymo sistemos.

Priklausomybė

Teiginys „Sviestu košės nepagadinsi“ moderniam dyzeliniam varikliui netinka. Pirmiausia dėl to, kad, į cilindrus įpurškus per didelį degalų kiekį, pradeda trūkti degimui reikalingo oro, o tiksliau – deguonies. Variklis ne tik dūmija (susidaro daug suodžių arba PM), bet ir iškyla rimtas pavojus jėgos agregatą perkaitinti. Kol variklis šaltas, į aplinką išmetama gana daug tarpinių degimo produktų, taip pat ir nesudegusių degalų.

Anglies monoksido (CO) ir nesudegusių angliavandenilių (HC) į aplinką išmetama mažiau, varikliui dirbant liesesniais degiaisiais mišiniais. Nevisiškai apkrovus variklį, dėl mažesnės temperatūros degimo kameroje anglies monoksido susidaro daugiau, o nuo kokybinių išpurškimo parametrų tiesiogiai priklauso HC kiekis išmetamosiose dujose.

Tiesioginio įpurškimo dyzeliuose azoto oksidų (NOX) kiekis priklauso nuo oro pertekliaus ir temperatūros dydžio degimo kameroje. Sieros oksidai (SOX) susidaro degant dyzeline esančiai sierai, kuri jungdamasi su vandeniliu sudaro sieros rūgštį (H2SO4).

Netikslinga mažinti tik vienos kokios nors kenksmingos medžiagos emisiją išmetamosiose dujose. Paprastai pabloginus sąlygas vieniems kenksmingiems elementams susidaryti, pagerėja sąlygos formuotis kitiems. Todėl diegiamos kompleksinės priemonės vienu metu, skirtingu santykiu redukuojančios visų kenksmingų medžiagų kiekius.

Metodai ir būdai

Didžiausia dyzelinio variklio problema yra jo dūmingumas. Sumažinti suodžių kiekį išmetamosiose dujose iki leistino dydžio galima taikant ištisą priemonių kompleksą, kuris optimizuoja degimo procesą. Pirmiausia, didinamas slėgis degalų įpurškimo sistemoje. Iš esmės nėra taip svarbu, kokio tipo maitinimo sistema konkrečiame variklyje. Svarbiausia – įpurškimo slėgio reikšmė.

Traktoriuose naudojamuose varikliuose degalų įpurškimo slėgio dydis peržengė 1 400 bar ribą ir šiandien yra 1 600 bar. Dar didesnis, 1 800 bar, slėgis yra specialiosios paskirties „Detroit Diesel“ (priklausančio „DaimlerChrysler AG“) variklių maitinimo sistemose. Automobilių varikliuose, taikant II-osios kartos akumuliatorines common rail sistemas („Bosch“, „Denso“), jau pasiektas ir 2 200 bar įpurškimo slėgis.

Ligi šiol didesnį slėgį pasiekdavo tik kompaktinės „siurblys-purkštuvas“ arba modulinės „siurblys-vamzdelis-purkštuvas“ degalų įpurškimo sistemos. Pirmosios, vadinamos Hydraulic Electric Unit Injector arba HEUI, naudojamos tik JAV gaminamuose didelės galios varikliuose, pavyzdžiui, Caterpillar. Pastarojo modelis C-9 montuojamas į AGCO Challenger (anksčiau Claas Challenger) traktorius su vikšriniais varytuvais, kitos modifikacijos – į galingiausius korporacijos CNH javų kombainus ir savaeigius smulkintuvus. Antrąją, brangią, tačiau pažangią, sistemą daugelį metų naudoja kompanijos „Detroit Diesel“/“DaimlerChrysler“, „Deutz AG“ ir „Same“. Pirmosios grupės pagaminti varikliai naudojami Claas, Krone, Ponsse mašinose, Deutz AG jėgos agregatai – Deutz-Fahr ir Fendt traktoriuose, kai kuriuose minėtais ir „Massey-Ferguson“ firmų ženklais pažymėtuose javų kombainuose. Same varikliai naudojami išskirtinai „Same Deutz-Fahr“ grupei priklausančiuose Same, Lamborghini ir Hürlimann traktoriuose. Didesnis įpurškimo slėgis šiose sistemose pasiekiamas ir dėl mažesnių hidraulinių nuostolių, praktiškai dėl trumpesnių, mažiau alkūnių turinčių vamzdelių.

Akumuliatorinės didelio slėgio degalų įpurškimo sistemos common rail (kartais žymimos HPCR – high-pressure common rail) nuo paminėtų skiriasi tuo, kad degalai jose dideliu slėgiu tiekiami į skirstymo vamzdį, kuriame dėl specialaus vožtuvo palaikomas pastovus slėgis. Toliau degalai per ilgus vamzdelius patenka į elektrohid­rauliškai valdomus purkštuvus, iš kurių per purkštuko skylutes (5–6 vnt.) išpurškiami į cilindrus.

Nors common rail sistemos principai žinomi seniai, pirmoji dyzeliniame variklyje ją pritaikė kompanija „FIAT“, bendradarbiaudama su „Bosch“.

Pirmosios kartos sistemas naudoti buvo ekonomiškai efektyvu. Dėl didelės unifikacijos ir lengvo pritaikymo bet kokiam varik­liui jos pasitarnaudavo kaip ekonomiškai racionalus būdas senam varikliui modifikuoti, kad atitiktų naujus ekologinius reikalavimus. Tačiau dėl ilgų vamzdelių ir tam tikros konstrukcijos specifiškumo efektyviaisiais rodikliais ji neprilygo modulinėms degalų įpurškimo sistemoms.

Pirmoji II-osios kartos akumuliatorinę common rail maitinimo sistemą pristatė japonų kompanija „Denso“, todėl slėgio didinimo lenktynėse ji kurį laiką išsiveržė į priekį, aplenkdama visų pripažintą šios srities autoritetą „Bosch“. Didesnis slėgis įpurškimo sistemoje reiškia, kad degalus galima išpurkšti pro mažesnio skersmens purkštuko skylutes. Išpurkšti smulkesniais lašeliais degalai greičiau šyla, garuoja ir maišosi su oru, todėl geriau sudega. Gaunama didesnė galia ir mažiau teršiama aplinka.

Padidinus įpurškimo slėgį, galima vėlinti įpurškimo pradžią. Tuomet stūmoklis yra arčiau viršutinio galinio taško (VGT), o oras cilindre yra stipriai suspaustas. Dėl II-oje common rail kartoje realizuoto kelių pakopų degalų įpurškimo tuščios eigos ir nedidelio sūkių dažnio diapazone variklis dirba tyliau, mažiau vibruoja. Tai juntama stovint šalia, pavyzdžiui, naujojo Fendt 312 Vario su nauju 80 kW/110 AG Deutz AG varikliu. Nauja sistema įrengta ir korporacijos CNH didelės galios traktoriuose Case IH Magnum/New Holland T8000.

Apie II-osios kartos common rail maitinimo sistemų pažangą galima spręsti iš tolimo žemės ūkiui pavyzdžio. Grupė VAG („Volkswagen Audi Group“), pasirinkusi kompaktinę „Bosch“ sistemą „siurblys-purkštuvas“, turbodyzelinių TDI variklių dėka ilgą laiką buvo taupiausių automobilių sąraše. Pasirodžius naujai common rail kartai, ji vietoj ankstesnės sistemos tuojau pat buvo panaudota kompanijos „Audi“ flagmane A8. „Siurblio-vamzdelio-purkštuvo“ sistemos II-osios kartos common rail naudai atsisakė ir kompanija „Deutz AG“ – nauji varikliai montuojami Fendt 312 Vario (80 kW/110 AG) ir Fendt 936 VarioTMS (243 kW/330 AG).

Parodoje „Agritechnica 2005“ demonstruotuose naujuose varikliuose įdiegta ir daugiau naujų techninių sprendimų, kurie nors ir netiesiogiai, tačiau mažina kenksmingų deginių emisiją išmetamosiose dujose. Pavyzdžiui, iš specialios sudėties polimerų pagaminti vožtuvų kreipiamųjų įvorių sandarikliai ir naujos konfigūracijos tepaliniai žiedai mažina alyvos patekimą (taip pat sudegimą) į degimo kamerą. Dėl to mažėja anglies turinčių kenksmingų medžiagų kiekis išmetamosiose dujose.

Keturi vožtuvai vienam cilindrui šiandien yra bet kokio modernaus variklio būtina techninė sąlyga. Jie naudojami ne tik Case IH/Iveco, Cummins, DaimlerChrysler, Deutz, John Deere, SisuDiesel varikliuose, bet ir iš dalies egzotiškuose Yanmar jėgos agregatuose. Pagerėja dujų apytaka cilind­ruose, jų pripildymas šviežiu oru (didesnis pripildymo koeficientas). Operatorius jaučia didesnę variklio galią ir sukimo momentą.

Pasitelkiant sudėtingas kompiuterinio modeliavimo programas, optimaliai kiekvienam varikliui parenkama degimo kameros forma. Degimo kameros viduje ruošiamas degusis mišinys, todėl nuo jos formos priklauso degalų ir oro maišymosi parametrai, o vėliau – šio mišinio sudegimas. Kuo ji tobulesnė, tuo geresni variklio efektyvieji rodikliai, mažesnis į aplinką patenkančių teršalų kiekis.

Dar vienas būdas kenksmingų deginių emisijai mažinti – kintamos geometrijos turbokompresorius (VGT, Variable Geometry Turbocharger). Iš traktoriuose naudojamų variklių jis yra tik John Deere PowerTech Plus 9,0 l darbo tūrio jėgos agregate. Kintamos geometrijos turbokompresorius lanksčiau reaguoja į pakitusią variklio apkrovą, todėl sumažėja variklio dūmingumas.

Kintamos geometrijos turbokompresorius naudojamas ir siekiant sumažinti azoto oksidų (NOX) kiekį išmetamuosiuose deginiuose. Nedidelių sūkių diapazone keičiant mentelių atakos kampą (jokiu būdu ne turbinos darbo rato; minimos mentelės įrengtos ant jo išorėje esančio žiedo), didinamas išmetamųjų dujų slėgis į turbinos darbo rato menteles, todėl pastaroji greičiau sukasi, atitinkamai greičiau besisukdamas kompresoriaus darbo ratas į cilindrus nukreipia didesnį atvėsinto oro kiekį. Todėl net nedidelių sūkių diapazone variklis išvysto didelį sukimo momentą. Beje, panašią funkciją atlieka daugelyje variklių naudojamas turbokompresoriaus slėgio reguliatorius. Skirtumas tik toks, kad, siekiant išvengti per didelio pripūtimo slėgio, kuris grėstų padidėjus variklio sūkiams, vožtuvas dalį išmetamų dujų nukreipia tiesiog į įšleidimo kolektorių.

Azoto oksidų (NOX) kiekis išmetamosiose dujose efektyviai mažinamas, dalį (18–25 proc.) jų ataušinant ir pakartotinai grąžinant atgal į cilindrus. Klaidinga manyti, kad šis būdas naudojamas, siekiant sumažinti degalų sąnaudas. Ataušusios išmetamosios dujos cilindruose susimaišo su šviežiu oru (taip pat ataušintomis tarpinio oro aušintuvo), sumažindamos degimo temperatūrą. Dėl pastarosios sumažėjimo į aplinką patenka mažiau žalingų azoto oksidų. Specialistai sutaria, kad išmetamų dujų recirkuliacija (EGR – Exaust Gas Recirculation) yra vienas efektyviausių būdų, mažinantis NOX kiekį išmetamosiose dujose. Kaip teigia „John Deere“ konstruktoriai, panaudojus VGT ir EGR technologijas, azoto oksidų kiekį išmetamosiose dujose pavyko sumažinti 40 procentų.

Iš principo į cilindrus būtų galima grąžinti ir didesnį išmetamųjų dujų kiekį, tačiau susiduriama su esmine problema – jų ataušinimu iki reikiamos temperatūros. Variklio galia proporcinga jo aušintuvų plotui, t. y. didesnės galios variklyje išsiskiria ir didesnis šilumos kiekis, todėl ją reikia efektyviai nukreipti nuo paviršių. Paskaičiuokite, kiek vietos užima variklio aušinimo ir tepimo sistemų aušintuvai, o kur dar tarpiniai, į baką grąžinamų degalų ir transmisijos alyvos aušintuvai. Nepamirškite ir oro kondicionieriaus garintuvo. Atkreipkite dėmesį į konstruktorių išradingumą, montuojant ir išdėstant šiuos gyvybiškai svarbius variklio elementus, ir suprasite, kad didesnio negu 25 proc. išmetamųjų dujų atvėsinimo dar reiks palaukti. Arba teks taikyti kitus būdus.

Išmetamų dujų recirkuliacijos sistema EGR įrengta naujuose Fendt Farmer 312 Vario, Fendt 936 VarioTMS traktoriuose ir visoje John Deere 8030 serijoje.

Mažinant išmetamųjų dujų kenksmingumą, svarbiausias vaidmuo tenka variklio valdikliui. Jei įrengta didelio slėgio akumuliatorinė common rail degalų įpurškimo sistema, jos valdiklis gauna informaciją iš oro kiekio, įleidžiamo oro temperatūros, alkūninio veleno sūkių, skirstymo velenėlio pasisukimo kampo, degalų slėgio, temperatūros, aušinimo skysčio temperatūros, akumuliatorių baterijos įtampos ir pripūtimo slėgio jutiklių. Įvertinęs gautus duomenis, valdiklis suformuoja atitinkamus valdymo signalus ne tik purkštukams, bet ir degalų slėgio reguliavimo, degalų trūkio nutraukimo bei pripūtimo slėgio (arba mentelių atakos kampo nustatymo) vožtuvams. Gaunamas skirtingas į cilindrus įleidžiamo oro, grąžinamų išmetamųjų dujų ir įpurškiamų degalų santykis, tiksliai parenkamas įpurškimo pradžios momentas ir t. t.

Išvardyti sprendimai naudojami ne tik John Deere PowerTech Plus serijos 9,0 l darbo tūrio varikliuose, montuojamuose į 8030 serijos traktorius. Panašių priemonių kompleksas įrengtas ir kitų gamintojų jėgos agregatuose: Caterpillar, Case IH/Iveco, Cummins, DaimlerChrysler, Detroit Diesel, Deutz, John Deere, Perkins, SisuDiesel. Atsilikti neleidžia ekologijos reikalavimai!