Su kokiais iššūkiais belaukiant 2014-ųjų susiduria gamintojai, toliau didindami variklių litrinę galią ir bendrą jėgos agregatų efektyvumą?

Nuo 2014 m. pradžios įsigalios nauji, itin griežti Etapo IV/Tier 4 reikalavimai 130-560 kW/174-751 AG dyzeliniams ne transporto paskirties varikliams. Savaeiges žemės ūkio mašinas naujieji reikalavimai palies tiesiogiai, nes jie bus taikomi visiems vidutinės ir didelės galios traktorių, vidutinio ir didelio laidumo javų, cukrinių runkelių kombainų, savaeigių smulkintuvų ir našių savaeigių purkštuvų varikliams.

Šiuo metu minėtiems varikliams taikomi pereinamieji Etapo IIIB/Tier 4 emisijų reikalavimai, įsigalioję nuo 2011 m. sausio 1 dienos. Lyginant su kitų metų pradžioje įsigaliosiančiais dar griežtesniais emisijų reikalavimais, dabar leidžiama 5 kartus didesnė azoto oksidų (NO_x) emisija. Angliavandenilių (HC), anglies monoksido arba smalkių (CO) ir kietųjų dalelių arba suodžių (PM) emisija lieka nepasikeitusi. Tiesa, pagal JAV galiojančią EPA Nonroad direktyvą, Tier 4 emisijų reikalavimai jau šiuo metu numato mažesnę ne 0,025, o 0,02 g/kWh suodžių emisiją, tačiau tai esminių pokyčių nelemia.

Netrukus naujieji reikalavimai įsigalios ir mažesnės 56-129 kW/75-173 AG dyzeliniams ne transporto paskirties varikliams. Skirtingai negu galingesniems jėgos agregatams, šiems bus taikomi švelnesni reikalavimai anglies monoksido emisijai: ne 3,5, o 5,0 g/kWh. Reikalavimai visų kitų kenksmingų deginių emisijai - analogiški.

Taikant naujuosius reikalavimus, mašinų gamintojams yra numatytas dviejų metų pereinamasis laikotarpis, kurio metu, priklausomai nuo sukaupto rezervo, bus leidžiama gaminti mašinas su ankstesnius emisijos reikalavimus atitinkančiais varikliais.

Kenksmingų deginių emisijos mažinimo priemonės

Nuodingų (kenksmingų) medžiagų emisijos mažinamo priemonės pagal įrengimo pobūdį skirstomos į variklių ir išorines.

Išorinės sistemos taip vadinamos dėl to, kad jos įrengtos išleidimo sistemoje. Išorinės kenksmingų deginių emisijos mažinimo sistemos variklio darbo procesui tiesioginės įtakos neturi.

Iš variklių priemonių dažniausiai minima vidinė arba išorinė išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR. Vidinė recirkuliacijos sistemos veikimo schema išsprendžiama valdant vožtuvus taip, kad dalis atidirbusių dujų liktų įleidimo sistemoje. Išorinėje recirkuliacijos sistemoje tam tikra atidirbusių dujų dalis grąžinama per specialų aušintuvą (konstrukciškai tai skystis-oras tipo šilumokaitis) ir jų santykį su šviežiu oru keičiantį reguliavimo vožtuvą. Grąžinamų atgal į įleidimo sistemą atidirbusių dujų kiekį šis vožtuvas keičia, priklausomai nuo variklio darbo režimo.

Bet tai toli gražu ne vienintelė priemonė, lemianti išmetamųjų dujų sudėtį. Kenksmingų šalutinių produktų susidarymui degimo proceso metu didelę įtaką daro maitinimo sistema, cilindrų pripildymas, aušinimo sistema ir kiti variklio konstrukciniai parametrai. Pavyzdžiui, stūmoklio eigos ir cilindro skersmens santykis, degimo kameros forma ir dydis, suspaudimo laipsnis.

Variklinės ir išorinės kenksmingų deginių mažinimo priemonės

● EGR sistema yra prevencinė priemonė NO_x susidarymui išmetamosiose dujose.

● DOC - oksidacinis katalizatorius, kurio pagrindinis uždavinys - sumažinti CH ir CO emisiją išmetamosiose dujose.

● SCR - selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorius, naudojantis karbamido vandens tirpalą AdBlue, yra skirtas NO_x mažinti išmetamosiose dujose.

● DPF - regeneracinis suodžių filtras, skirtas išmetamosiose dujose esančioms kietosioms dalelėms (suodžiams) PM sulaikyti ir, surinkus tam tikrą jų kiekį, sudeginti.

Esminiais pokyčių variklių technologijose metais galima laikyti 2006-uosius, kuomet pradėti taikyti Etapo IIIA/Tier 3 emisijų reikalavimai. Didžioji dalis maitinimo sistemų su iki tol naudotais elektroniniais sūkių reguliatoriais pakeisti pažangesnėmis akumuliatorių didelio slėgio degalų įpurškimo sistemomis common rail. Visų šių variklių valdymo sistemos - elektroninės, mikroprocesorinės. Pneumatiniai membraniniai turbokompresorių slėgio reguliatoriai pradėti keisti į elektroninius, kai kuriais atvejais naudojami ir kintamos geometrijos turbokompresoriai VGT (pvz., „John Deere Power Systems", JDPS), du vožtuvai kiekviename cilindre pakeisti keturiais: po du įleidimo ir išleidimo vožtuvus. Šios kartos varikliuose naudotos tik variklių kenksmingų deginių emisijos mažinimo priemonės. Viena iš tokių - vidinė („AGCO Power") arba išorinė („Deutz AG", „FIAT Powertrain Technology", JDPS) išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR. Išorinėje EGR sistemoje buvo naudojamas skystis-oras tipo atgal į cilindrus grąžinamų išmetamųjų dujų aušintuvas.

Dabar galiojantys pereinamieji Etapo IIIB/Tier 4 emisijų reikalavimai mašinų naudotojus pirmąkart supažindino su trimis naujomis priemonėmis. Visos jos (oksidacinis DOC ir selektyvinis katalitinis redukavimo SCR katalizatorius, regeneracinis suodžių filtras DPF) priskiriamos išorinėms emisijų mažinimo priemonėms. Reikia atkreipti dėmesį, kad DOC ir SCR katalizatoriai įrengiami nuosekliai išleidimo trakte, vienas paskui kitą, tačiau ne visuose varikliuose su selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatoriumi prieš jį įrengiamas oksidacinis katalizatorius. Jis dažniau naudojamas antrosios kartos (G2) emisijos mažinimo priemonėse, atitinkančiose Etapo IIIB/Tier 4 reikalavimus, pavyzdžiui, taip yra 7,4 l darbo tūrio koncerno „AGCO Power" varikliuose, kurie montuojami į Valtra T3 ir S3 serijų traktorius.

Šiuo etapu varikliuose, kuriuose išmetamosioms dujoms apdoroti naudojami DOC ir SCR katalizatoriai, išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR nereikalinga. Šaltesnis degimo ciklas, kurį užtikrina EGR, naudojamas tik poroje su regeneraciniu suodžių filtru. Pastarasis, savo ruožtu, išleidimo trakte nuosekliai sujungiamas su oksidaciniu katalizatoriumi DOC. Šią schemą naudoja JDPS.

Nuo 2014 m. įsigaliosiantys nauji Etapo IV/Tier 4 emisijų reikalavimai tarpusavyje derins visas minėtas priemones. Tačiau tai nereiškia, kad bus naudojamos visos priemonės, tačiau jų deriniai galės būti įvairūs. Pavyzdžiui, išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR kartu su DOC ir SCR katalizatoriais bei išleidžiamų dujų trakto pabaigoje įrengtu regeneraciniu suodžių filtru. Galimi ir kiti variantai, pavyzdžiui, SCR katalizatorius, naudojantis 32,5 proc. karbamido vandens tirpalą, bus papildytas oksidaciniu katalizatoriumi DOC ir išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR.

Reikia nepamiršti variklio karterio ventiliacijos. Kadangi karterio dujose itin didelė angliavandenilių koncentracija, gamintojai priversti naudoti vis sudėtingesnes uždaro tipo karterio ventiliacijos sistemas su specialiais filtrais.

Kokie bus varikliai 2014 metais?

Neabejotinai, varikliai bus ekologiškai švariausi iš bet kada naudotų žemės ūkio mašinose. Sudėtingiausi taip pat. Kaip atsvara siekiui variklius padaryti ekologiškai švaresnius galima laikyti efektyviųjų parametrų pokytį per paskutinius 40 metų. Per šiuos keturis dešimtmečius litrinė galia (galios santykis su variklio darbo tūriu) gerokai padidėjo. Iš dabar gaminamų variklių sunku surasti didesnio kaip 60 AG pajėgumo dyzelinį variklį, kuriame nebūtų turbokompresorinio pripūtimo sistemos. Įrengus ją, tarpinį oro aušintuvą ir akumuliatorinę degalų įpurškimo sistemą common rail, efektyvusis slėgis sistemoje padidėjo iki 25 bar arba tris kartus, palyginti su įprastiniu (atmosferiniu) varikliu. Nepalyginamai tiksliau valdomas darbo procesas, ypač didelės apkrovos režime: žemės ūkio mašinoms skirti varikliai projektuojami ilgalaikiam darbui 80-100 proc. apkrovos režimu, o transportinės paskirties varikliai maksimaliai apkraunami labai trumpą laiką, ilgalaikis jų darbo režimas dažniausiai neviršija 50 proc. didžiausios apkrovos.

Reikia pastebėti ir tai, kad kartu su pagerėjusiais efektyviaisiais parametrais padidintas ir variklio darbo tūris. Pavyzdžiui, kompanija „Sisu Diesel" iki 1980-ųjų vidurio gamino 3, 4 ir 6 cl. variklius, kurių cilindro darbo tūris buvo 1,1 l (3,3; 4,4 ir 6,6 l). Vėlesnės kartos variklių padidėjo ne tik galia (iki 200 AG), bet ir darbo tūris - iki 1,2 l/cl. Tos pačios strategijos laikėsi ir kiti gamintojai. Pavyzdžiui, kompanijos „John Deere" 3, 4 ir 6 cl. varikliai, naudoti Vokietijoje gaminamuose 50-osios serijos traktoriuose, buvo tarpusavyje unifikuoti ir sukonstruoti naudojant analogišką formulę, t. y. 0,98 l/cl. Be to, 6000 serijos John Deere traktorių 4 ir 6 cl. varikliai taip pat unifikuoti, tačiau nuo 1992 m. gaminamuose traktoriuose, siekiant pagerinti jų efektyviuosius parametrus, taip pat padidintas ir cilindro darbo tūris iki 1,13 l/cl. Analogiškas dydis išliko ir 6M/6R naudojamuose varikliuose.

Naujos kartos 6 cl. 7,4 l darbo tūrio kompanijos „Sisu Diesel" 612 serijos varikliai pradėti naudoti Massey Ferguson javų kombainuose. Augant galios poreikiui, didelės galios Massey Ferguson traktoriams ir didelio laidumo javų kombainams pristatyta nauja 6 cl. ir 8,4 l darbo tūrio Sisu Diesel variklių serija, apimanti 250-400 AG diapazoną. Šių variklių cilindro darbo tūris padidintas iki 1,4 l/cl.

Prieš 5 metus darbo tūris dar kartą padidintas, tačiau kartu padidintas ir cilindrų skaičius. Naujasis vienaeilis 7 cl. variklis, naudojamas didelio laidumo hibridiniuose Fendt 9470 X/X AL ir Massey Ferguson Delta 9280 kombainuose, yra unifikuotas su likusiais varikliais. Variklyje panaudota 3 cl. jėgos agregato cilindrų galvutė priekyje ir 4 cl. - gale, su kitais jis unifikuotas cilindrų įvorėmis, švaistikliais, slydimo guoliais ir skirstymo sistemos elementais. Maitinimo sistema common rail taip pat perimta iš 6 cl. jėgos agregato, papildant ją septintąja linija ir kartu su kompanija „Bosch", kuri yra šių komponentų tiekėjas, įdiegiant naują valdymo programą. Šis pavyzdys nėra „AGCO Power" išimtis. Tai bendra tendencija variklių pramonėje.

Suomijos gamintojas „Sisu Power", nuo 2012 m. liepos pervadintas į „AGCO Power", yra vienas iš didesnių variklių tiekėjų savaeigėms žemės ūkio mašinoms. Neabejotinai, šį statusą lėmė jau beveik dešimtmetį trunkanti narystė globaliai veikiančioje grupėje.

Kompanija „AGCO Power" baigiamojo etapo Etapo IV/Tier 4 emisijų reikalavimus didesnio kaip 136 kW pajėgumo varikliuose planuoja įgyvendinti, naudodama išskirtinai tik išorines deginių apdorojimo priemones: oksidacinį (DOC) ir selektyvinio katalitinio redukavimo (SCR) katalizatorius. Gamintojo teigimu, naujiems emisijų reikalavimams įgyvendinti variklių priemonė - išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR (iki šiol suomiškuose varikliuose buvo naudojama paprastesnė vidinė, o ne efektyvesnė išorinė išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema) bei išorinė - regeneracinis suodžių filtras DPF - nebus naudojami. Tokia išmetamųjų deginių apdorojimo strategija, pavadinkime ją sąlyginiu pavadinimu G3, planuojama populiariausiems 6 cl., 7,4 l darbo tūrio varikliams, kurie montuojami vidutinės galios traktoriuose (Valtra T, JCB Fastrac 3000 Xtra serijoje), vidutinio laidumo AGCO grupės javų kombainuose. Naujos kartos variklis gaus naują ir indeksą - 74AWF. Beje, šiuo metu antrosios kartos (G2) išorinės deginių apdorojimo priemonės, nuosekliai jungiančios DOC ir SCR katalizatorius, jau naudojamos ir Valtra T3 serijos traktoriuose montuojamuose AGCO Power 74AWI modelio varikliuose.

Didesnio 8,4 ir 9,8 l darbo tūrio AGCO Power varikliuose taip pat galima apsieiti be išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemos EGR su šilumokaičiu, tačiau būtina rasti kitų būdų išmetamųjų dujų temperatūrai sumažinti, varikliui dirbant didelės apkrovos režimu. Vienas iš tokių - dviejų pakopų turbokompresorinio pripūtimo sistema. Įdiegus EGR sistemą, galima sumažinti dyzelino ir AdBlue sąnaudas, todėl didesnio darbo tūrio AGCO Power varikliuose bus naudojamos EGR ir SCR sistemos. Tiesa, išmetamųjų dujų recirkuliacijos laipsnis bus sumažintas.

Variklių gamintojas „John Deere Power Systems" Etapo IV/Tier 4 emisijų reikalavimams įgyvendinti numatęs gaminti iš karto penkių skirtingų darbo tūrių, septynių skirtingų galios grupių variklius: PowerTech EWX 2.9L (37-55 kW/50-74 AG), PowerTech EWX 4.5L (55 kW/74 AG), PowerTech PWS 4.5L (63-104 kW/85-140 AG), PowerTech PSS 4.5L (93-129 kW/125-173 AG, PowerTech PVS 6.8L (104-187 kW/140-250 AG), PowerTech PSS 6.8L (168-224 kW/225-300 AG), PowerTech PSS 9.0L (187-17 kW/250-425 AG) ir PowerTech PSS 13.5L (298-448 kW/400-600 AG).

Iki 56 kW/75 AG pajėgumo varikliuose, kuriems griežtesni pereinamieji Etapo IIIB/Tier 4 emisijų reikalavimai įsigalios kitų metų pradžioje, kompanija „John Deere" numačiusi integruotą emisijos kontrolės (IEC, angl. Integrated Emission Control) sistemą, kurią sudarys tik regeneracinis suodžių filtras DPF. Įprastinė recirkuliacijos sistema EGR ir SCR technologija nebus taikoma, nes šios galios grupės varikliams azoto oksidų ir angliavandenilių (HC) emisija neapibrėžiama.

Dėl John Deere IEC sistemos didesnio kaip 130 kW/177 AG pajėgumo varikliuose išmetamosios dujos bus apdorojamos papildomai, t. y. tris kartus. Be jau minėtų DOC ir DPF valytuvų numatyta įrengti selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorių SCR, naudojantį karbamido vandens tirpalą AdBlue (JAV jis vadinamas kitu pavadinimu - DEF (angl. diesel exhaust fluid). Pasak kompanijos specialistų, jis yra tinkamiausia priemonė naujiems emisijos reikalavimams įgyvendinti, lengvai integruojamas į jau esamus variklius, sistemos darbas lengvai susiejamas su jau esančiomis priemonėmis (EGR, DOC, DPF). Ne mažiau svarbus argumentas yra tai, kad SCR technologija gana išplėtota, sukurta visa reikiama tirpalo AdBlue infrastruktūra, jis pripažintas ir naudojamas daugumos gamintojų.

Pirmosios dvi priemonės (DOC ir DPF) leis išsaugoti Etapo IIIB/Tier 4 emisijų reikalavimuose nustatytą suodžių kiekį - 0,025 g/kWh. Penkis kartus sumažinti NO_X emisiją pasirinkta esamą išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemą EGR papildant SCR technologija.

Pastarasis sprendimas patogus tuo, kad leidžia sumažinti tirpalo AdBlue sąnaudas, atitinkamai, mažesnės reikia ir jo talpyklos, ilgesnis SCR komponentų eksploatacijos laikas. Remiantis kompanijos „John Deere" specialistų skaičiavimais, vidutinės tirpalo AdBlue sąnaudos siekia 1-3 proc. viso sunaudoto dyzelino kiekio, o Etapo IIIB/Tier 4 reikalavimus atitinkančiuose varikliuose, priklausomai nuo galios klasės, tirpalo sąnaudos siekia vidutiniškai 7 proc. Tiesa, žinomi ir EGR sistemos trūkumai: didesnės degalų sąnaudos, alyva greičiau užteršiama degimo produktais, todėl mažėja jos išdirbis. Variklis jautresnis dyzelino kokybei, ypač jo sieringumui.

Kompanija „John Deere", užbėgdama šiems trūkumams už akių, Etapo IV/Tier 4 reikalavimus atitiksiančių variklių maitinimo sistemose dar padidino darbinį slėgį, tuo pačiu sumažindama ir degalų sąnaudas. Tai yra ir prevencinė priemonė nuo suodžių susidarymo, leidžianti nustatyti ilgesnius suodžių filtro regeneracijos intervalus. Naujieji varikliai pritaikyti naudoti biodyzeliną (B5-B20), atitinkantį ASTM kokybinius reikalavimus.

Reikia pabrėžti, kad „John Deere" yra sukaupusi ilgą (nuo 2005 m.) EGR ir variklių pripūtimo sistemų su kintamos geometrijos turbokompresoriais VGT konstravimo ir eksploatavimo patirtį. Gamintojo teigimu, bendras Etapo IV/Tier 4 variklių su DOC bei DPF sistemomis išdirbis jau pasiekęs beveik 5 mln. motovalandų. Galutinį rezultatą lemia ir tai, kad išmetamųjų dujų apdorojimo sistemų tyrimu ir derinimu užsiima atskiras kompanijos padalinys.

Praėjusiais metais pristatytas 6 cl., 9,0 l darbo tūrio PowerTech PSS 9.0L serijos variklis su naująja IEC sistema ateityje gali būti naudojamas būsimosios kartos didelės galios ratiniuose John Deere 8R ir vikšriniuose 8RT traktoriuose.

Nuo 2011 m., įsigaliojus pereinamiesiems Etapo IIIB/Tier 4 emisijų reikalavimams, 8R ir 8RT serijos traktoriuose naudojami dviejų modifikacijų 9,0 l darbo tūrio JDPS varikliai: su vienpakope pripūtimo sistema, kurioje įrengtas vienas kintamos geometrijos turbokompresorius VGT (mod. PVX) ir dvipakope pripūtimo sistema su nuosekliai sujungtais kintamos VGT ir pastovios geometrijos FGT turbokompresoriais (mod. PSX). Abiejose variklių grupėse sumontuota analogiška dviejų pakopų išorinė išmetamųjų dujų valymo sistema: oksidacinis katalizatorius DOC ir regeneracinis suodžių filtras DPF. Taip pat juose įrengta vidinė (variklių) priemonė - išorinė išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR su aušintuvu.

DOC, DPF ir SCR priemonės, apsieinant be EGR sistemos, jau bandomos naujuose CNH grupės FPT Cursor 9 ir 13 serijos varikliuose. Transportinės paskirties jėgos agregatai jau pradėti naudoti vilkikuose.

Dainius Šišlavas

Mano ūkis, 2013/02