03 06 24 Mano ukio prenumerata 2024 23 04 15 Gauti naujienas mobili žurnalas
Mano Ūkis 2008/05
Daugiau galios – mažiau degalų
  • Dainius ŠIŠLAVAS, LŽŪU
  • Mano ūkis

Pagerinti efektyviuosius variklio parametrus, kartu sumažinant degalų sąnaudas ir išmetamųjų deginių emisiją, galima tik naudojant ištisą priemonių kompleksą.

Šiuolaikiniame vidutinės arba didelės galios variklyje, kuris atitinka Etapo III A/Tier 3 emisijos reikalavimus, įdiegti šie techniniai sprendimai:

  • alkūniniame mechanizme įrengti mažesnės masės, tačiau tvirtesni ­stūmok­liai;
  • skirstymo mechanizme – po 4 ­vožtuvus kiekviename cilindre;
  • aušinimo sistemoje – elektriškai ­valdoma ventiliatoriaus klampio (visko) mova;
  • turbokompresorinio pripūtimo sistema;
  • didelio įpurškimo slėgio akumuliatorinė common rail tipo maitinimo sistema;
  • išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR, netrukus – selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorius SCR.

Didinant suspaudimo laipsnį cilindruose ir sūkių dažnį, tokiu būdu ir galią, tikslinga mažinti alkūninį mechanizmą veikiančias inercijos jėgas. Dėl šios priežasties naudojami mažesnės masės, tačiau tvirtesni už anksčiau montuotus stūmokliai. Pastarieji gali būti išlieti kaip vientisa detalė (pvz., John Deere 13,5 l darbo tūrio PowerTech Plus varikliuose) arba sujungti iš dviejų atskirų detalių: viršutinės sandarinimo ir apatinės kreipiamosios dalies. Šis sprendimas įdiegtas, pavyzdžiui, Detroit Diesel 40E/60 serijų 130 kW/175 AG–496 kW/665 AG pajėgumo varikliuose. Stūmoklį sudarančios dvi dalys yra gaminamos iš atskirų medžiagų: plieno ir aliuminio. Tokiu būdu užtikrinamas didesnis labiau apkrautos viršutinės dalies standumas ir terminis atsparumas, o apatinė lengvesnė dalis efektyviai sumažina stūmoklio masę ir darbo metu veikiančias inercijos jėgas (per sekundę stūmoklis judėjimo kryptį keičia iki 80 kartų).

Naudojant daugiau kaip po 2 vožtuvus kiekviename cilindre pavyksta gauti geresnį cilindrų pripildymo koeficientą. Be to, dujų apytaka (šviežio oro įleidimas ir atidirbusių dujų išleidimas) cilindruose vyksta taip pat geriau.

Ventiliatoriaus pavarai sunaudojama 3–5 proc. variklio generuojamos galios. Todėl ją tikslinga išjungti, kol variklis nepasiekė darbinės temperatūros, o aušinimo skystis cirkuliuoja mažuoju apytakos ratu. Ventiliatoriaus sūkių dažnį, taip pat ir oro cirkuliacijos intensyvumą svarbu reguliuoti, atsižvelgiant į variklio, transmisijos ir hidraulinės sistemos šiluminį režimą. Taip mažinamas galios poreikis ir degalų sąnaudos. Dėl šios priežasties naudojama elektriškai valdoma aušinimo sistemos ventiliatoriaus klampio (visko) mova.

Šiuolaikinis dyzelinis variklis neįsivaizduojamas be turbokompresorinio pripūtimo sistemos. Daugelyje žemės ūkio paskirties variklių naudojami įprastiniai FGT (Fixed Geometry Turbocharger) turbokompresoriai su membraniniais pripūtimo slėgio reguliatoriais. Kompanija JDPS („John Deere Power Systems“) pirmoji PowerTech Plus serijos varikliuose panaudojo pažangesnius kintamos geometrijos turbokompresorius VGT (Variable Geometry Turbocharger). Dabar šio tipo turbokompresoriai naudojami ir FPT („FIAT Powertrain Technologies“) sukonstruotuose varikliuose.

John Deere PowerTech Plus varikliai montuojami į visus John Deere traktorius, pradedant vidutinės galios klase, baigiant javų kombainais ir savaeigiais šios kompanijos smulkintuvais. Kintamos geometrijos turbokompresoriumi efektyviai padidinamas sukimo momentas, esant mažesniems variklio sūkiams (t. y. kai išmetamųjų dujų srauto greitis nedidelis). Taip pat padidinamas dyzelinio variklio naudingumo koeficientas. Lyginant su standartiniu FGT turbokompresoriumi, VGT darbo ratų inerciškumas mažesnis. Be to, turbokompresoriaus reguliavimo mechanizmo gedimas nepakenkia nei pačiam mazgui, nei varikliui.

Didelio įpurškimo slėgio (traktorių va­rik­liuose iki 1 600 bar) akumuliatorinės common rail tipo maitinimo sistemos yra svarbiausia priemonė, mažinanti kenksmingų deginių emisiją. Be to, variklis dirba tyliau ir ekonomiškiau. Minėtus parametrus pagerinti leidžia nepriklausomas nuo variklio sūkių ir įpurškiamų degalų kiekio įpurškimo slėgis. Didelis įpurškimo slėgis common rail sistemose leidžia naudingai laiko atžvilgiu išskirti degalų įpurškimo ir degimo procesus. Jei modulinėse maitinimo sistemose siurblys-vamzdelis-purkštuvas arba kompaktinėse siurblys-purkštuvas galima realizuoti ne daugiau kaip dviejų pakopų degalų įpurškimą, tai common rail sistemose – daugiapakopį (iki 5 pakopų).

Kenksmingų deginių emisiją efektyviai sumažina išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemos EGR ir selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatoriai SCR (2008 m. „Mano ūkis“ Nr. 3). Dėl sistemos EGR sumažėja didžiausia degimo (ciklo) temperatūra. Sumažėjus dujų temperatūrai (prieš grįždamos į įleidimo kolektorių išmetamosios dujos yra ataušinamos), degalai savaime užsiliepsnoja vėliau. Pavėlinus degalų užsiliepsnojimo pradžią, į degimo kamerą įpurkšti degalai geriau susimaišo su oru, t. y. daugiau laiko lieka degiajam mišiniui homogenizuoti.

Akivaizdu, kad norint sumažinti išmetamųjų dujų toksiškumą, degusis mišinys turi būti labiau homogeniškas. Mat du kenksmingiausi dyzelinio variklio išmetamosiose dujose aptinkami cheminiai junginiai – azoto oksidai (NOx) ir suodžiai (PM) – susidaro dėl menkos degiojo mišinio homogenizacijos. Kitaip tariant, daugiausia suodžių susidaro dyzelino pertekliaus zonoje, kurioje degalams visiškai sudegti nepakanka oro arba degimo laikas per trumpas, paskutinę dyzelino porciją įpurškiant tiesiai į fakelą, o azoto oksidų atvirkščiai – didžiausioje temperatūroje, oro pertekliaus zonoje. Degimo metu susidariusį anglies monoksidą arba smalkes (CO) ir nesudegusius angliavandenilius (CH) galima perdirbti (sudeginti) įprastiniame oksidaciniame katalizatoriuje. Priklausomai nuo darbo aplinkos, šiuos katalizatorius galima įrengti ir traktorių varikliuose.

Pirmieji traktoriai su turbo­kompaundiniais varikliais

Jau buvo rašyta (2007 m. „Mano ūkis“ Nr. 10), kad „Scania“ pirmoji 1991 m. įdiegė turbokompaundinę technologiją automobilių pramonėje. Tiesa, kompaundiniai (angl. compound – sudėtinis, sudurtinis) varikliai žinomi seniai. Jie pradėti naudoti dar XIX a. pabaigoje garo mašinose. Šiuose varikliuose buvo dviejų skirtingų skerspločių cilindrai – didelio ir mažo slėgio. Taip pakopomis slegiant garą pavyko geriau panaudoti jo energiją ir padidinti variklio galią.

Ketvirtajame–šeštajame praėjusio šimt­mečio dešimtmečiais kompaundinė variklio konstrukcija prisiminta vėl. Šįkart turbokompaundiniai jėgos agregatai pritaikyti aviacijoje, pvz., lėktuvuose Boeing B-29, Douglas DC-7.

Įdiegus turbokompaundinę technologiją, panaudojama likusi išmetamųjų dujų energija ir padidinamas bendras variklio naudingumo koeficientas. Įprastiniu turbokompresoriumi panaudoti visą išmetamosiose dujose esančią energiją nėra galimybių. Todėl turbokompaundiniuose varikliuose už turbokompresoriaus įrengiama dar viena, papildoma turbina.

Išmetamosios dujos, dalį energijos atidavusios turbokompresoriui, patenka į turbiną ir pradeda sukti turbinratį, kuris per krumpliaratinį reduktorių ir hidraulinę sankabą papildomai suka variklio alkūninį veleną. Tokiu būdu padidinamas variklio sukimo momentas.

Reduktorius būtinas dėl turbinos (50 000–55 000 min.-1) ir alkūninio veleno (2 000–2 300 min.-1) sūkių dažnio skirtumo. Hidraulinė sankaba, užpildyta variklio alyva, kompensuoja nuolatinį alkūninio veleno sūkių dažnio pokytį ir taip mažina vibracijas. Išmetamosios dujos, paliekančios turbiną, ataušta nuo 600 (į turbokompresorių išmetamosios dujos patenka didesnės kaip 700 oC temperatūros) iki 500 oC.

Tradicinio dyzelinio variklio efektyvumas neviršija 40 proc., o pritaikius turbokompaundą jis siekia 46 proc. Tai patvirtino ir pirmasis automobiliams pritaikytas Scania 11 litrų darbo tūrio variklis, kuris efektyviaisiais parametrais prilygo 14 l darbo tūrio jėgos agregatui.

Pirmosios kartos turbokompaundiniai Scania varikliai automobilių pramonėje nepaplito, pirmiausia, dėl didesnio triukšmingumo ir mažesnio ekonomiškumo. Vėliau juos pakeitė tobulesni antrosios kartos turbokompaundiniai jėgos agregatai. Pastarieji gerokai tylesni, ekonomiškesni, pasiekia didelį sukimo momentą, esant nedideliems variklio sūkiams. Svarbiausia tai, kad naujieji turbokompaundiniai varikliai elastingesni ir ekonomiškesni platesniame sūkių diapazone. Beje, analogišką konstrukciją pristatė ir kitas švedų gamintojas – kompanija „Volvo“.

Turbokompaundinis variklis pirmą kartą sumontuotas į didelės galios traktorius Case IH Steiger 485 ir New Holland T9050. Jis montuojamas ir į New Holland FR9000 serijos savaeigius smulkintuvus.

Šiuose modeliuose naudojama kompanijos „Iveco Motors“ variklio Cursor 13 modifikacija TC. Beje, šis variklis taip pat pritaikytas naudoti B100 degalus.

Traktoriams pritaikytas variklis Iveco Cursor 13 TC (F3B) pasiekia 362 kW/485 AG pajėgumą. Standartinės universaliosios paskirties šio variklio versijos be turbokompaundo, o tik su įprastiniu FGT turbokompresoriumi, išvysto 325 kW/436 AG–368 kW/493 AG pajėgumą.

Koncerno CNH didelės galios traktorių varikliuose naudojamo turbokompaundo konstrukcija ir veikimas panašus į jau minėto Scania variklio. Mat „Iveco“ varikliuose naudojami tos pačios „Holset“ firmos elementai. 12,9 l darbo tūrio Iveco Cursor 13 TC variklis pasižymi ne tik dideliu sukimo momentu (2 442 Nm, esant 1 400 min.-1 variklio sūkiams), bet ir yra 2–3 proc. ekonomiškesnis už didesnio darbo tūrio variklį, naudotą ankstesnėse Case IH Steiger/New Holland TJ serijose, tyliau dirba.

Variklyje Iveco Cursor 13 TC turbinos sūkiai siekia 52 000 min.-1 Turbokompresorius ir turbina kartu išmetamųjų dujų temperatūrą sumažina 200 oC, t. y. analogiškai Scania varikliams.