Šiandien įprasta kalbėti apie benzininius ir dyzelinius vidaus degimo variklius. Yra žinomi jų veikimo principai, konstrukcija, efektyvumas, poveikis aplinkai, tačiau vis ieškoma būdų ir metodų, kaip sumažinti šių variklių deginių emisijas įvairiais katalizatoriais, neutralizatoriais, filtrais ir kitomis priemonėmis.

Visos šios sistemos gana brangios dėl naudojamų tauriųjų metalų, sudėtingų konstrukcijos elementų bei valdymo subtilybių. Šiandien mokslininkai intensyviai dirba prie jau seniai žinomo, pagal HCCI (angl. HCCI - Homogeneous charge compression ignition) dėsningumus veikiančio vidaus degimo variklio. Jo darbas paremtas homogeninio degalų ir oro mišinio savaiminio užsiliepsnojimo nuo suspaudimo takto metu kylančios temperatūros principu.

Variklių skirtumai

Kuo šis variklis kitoks? Konstrukcijos požiūriu tai visiškai toks pats, įprastas benzininis arba dyzelinis variklis. Degusis mišinys ruošiamas už cilindro ribų. Degalai tiekiami į įsiurbimo kolektorių ir iš jo susimaišę su oru - į cilindro vidų. Taip užtenka laiko, kad degalai visiškai išgaruotų ir susimaišytų su oru. Toks mišinio paruošimo būdas leidžia išvengti liesų ar riebių mišinio zonų susidarymo, kurios lemia deginių emisijos rodiklius. Tokiu pat principu ruošiamas degusis mišinys ir tradiciniame benzininiame variklyje, tačiau tarp jų yra ir skirtumas: benzininiame variklyje degusis mišinys yra uždegamas nuo žvakės kibirkšties, o HCCI variklyje mišinys užsiliepsnoja pats savaime nuo suspaudimo takto metu kylančios temperatūros. Pastarojo variklio veikimas skiriasi ir lyginant su dyzeliniu varikliu: dyzeliniame variklyje yra suspaudžiamas tik oras, kuris suspaudimo metu labai užkaista. Į šį suspaustą ir užkaitusį orą reikiamu metu yra įpurškiami degalai.

Benzininio ir dyzelinio variklių degalai dega su sklindančiu liepsnos frontu ir aukštesnėje kaip 1 900 K temperatūroje. HCCI varikliuose degalų ir oro homogeninio mišinio užsiliepsnojimas ir degimas vyksta daugiataškiu principu visame cilindro tūryje vienu metu. Degimo temperatūra nebūna aukštesnė kaip 1 800 K.

HCCI variklio privalumai

• Gerokai mažesnės azoto oksidų (NO_x) ir kietųjų dalelių emisijos.
• Didesnis šiluminis efektyvumas.
• Galimybė naudoti įvairius degalus (benziną, dyzeliną, žibalą, metanolį, etanolį, gamtines dujas ir kitus).

Pirmieji HCCI principu veikiantys varikliai buvo naudojami Vokietijoje 1949-1954 metais. Juos sukūrė inžinierius Hermanas Tigenas (Hermann Teegen), o gamino kompanija „Lohmann Werke AG". Tai buvo pagalbiniai prie dviračių montuojami, vieno cilindro, dvitakčiai, karbiuratoriniai, 18 cm³ darbinio tūrio, 0,8 AG galios, esant 6 000 aps./min., varikliai. Jie neturėjo jokios degalų uždegimo sistemos. Suspaudimo laipsnį, ašine kryptimi perstumiant cilindrą, buvo galima keisti 12,5-125/1 ribose. Toks aukštas suspaudimo laipsnis naudojamas, tik paleidžiant variklį ir jį pašildant. Toliau variklis dirbdavo 14/1-18/1 suspaudimo laipsnio ribose. Variklis buvo maitinamas benzinu, spiritu, žibalu, dyzelinu. 100 km kelio sunaudodavo iki 1 litro degalų. Pats variklis svėrė 5 kg. Galėjo būti montuojamas prie bet kurio dviračio ir sukdavo galinį ratą. Su šiuo pagalbiniu varikliu dviratis pasiekdavo iki 25 km/val. greitį. Per 5 gamybos metus buvo surinkta 51 tūkst. variklių.

Pagal HCCI principą varikliai gali dirbti nusistovėjusiuose apkrovos ir alkūninio veleno sūkių režimuose. Keičiantis bent vienam iš parametrų, keičiasi ir degalų užsiliepsnojimo sąlygos. HCCI varikliuose nėra tiesioginių būdų, kaip suvaldyti degiojo mišinio užsiliepsnojimą. Procesas kontroliuojamas cheminių reakcijų kinetika. Manoma, kad tai labiausiai priklauso nuo vandenilio peroksido (H₂O₂) skaidymosi. Ši pagrindinė reakcija yra panaši į benzininio variklio detonacinį darbą, o NO_x formuojasi iš ore esančio azoto pagal Zeldovich terminį mechanizmą. NO susidarymui įtakos turi cheminės reakcijos temperatūra ir laikas. Kai didžiausia reakcijos temperatūra cilindre būna žemesnė kaip 1 800 K, NO_x nustoja formuotis ir susidaro N₂O junginys.

HCCI procesas jautrus degalų rūšiai. Savaiminiam degalų užsiliepsnojimui suvaldyti šiandien taikomi keli būdai: · reguliuojant įsiurbiamo oro temperatūrą; · keičiant slėgį; · keičiant degalų sudėtį bei kiekį.

Norint gaminti tokius variklius serijiniu būdu, reikia numatyti, kokius variklio valdymo metodus taikyti, keičiantis variklio sūkiams ir apkrovai; kaip turi dirbti variklis, esant maksimaliai apkrovai; kaip paleisti šaltą variklį; kokiu būdu sumažinti anglies monoksido ir angliavandenilių emisijas deginiuose. Kol kas didžiausia kliūtis suvaldyti HCCI variklio darbą, keičiantis apkrovai ir sūkiams. Šiuos procesus galima kontroliuoti keliais metodais: · grąžinant dalį deginių atgal į cilindrą; · naudojant kintamą variklio suspaudimo laipsnį; · naudojant vožtuvų sistemas su kintamomis fazėmis, · keičiant įsiurbiamo oro temperatūrą. Tokie varikliai, veikiantys HCCI principu, gali pasiekti 72 proc. sukimo momentą ir 88 proc. galią, palyginti su tiesioginio įpurškimo dyzeliniais varikliais, tačiau deginiuose beveik nėra kietųjų dalelių ir NO_x būna mažiau kaip 100 ppm.

Valdymo principai

Kokiais būdais galima valdyti HCCI principu veikiantį variklį? Kintamas suspaudimo laipsnis arba vožtuvų su kintamomis fazėmis sistemos patrauklios tuo, kad galima gana nesunkiai valdyti pereinamuosius procesus: greitėjimą arba lėtėjimą. Metodai patrauklūs ir turintys didelį potencialą, tačiau patikimumas dar ne iki galo įrodytas.

HCCI degimas labai priklauso nuo suspaudimo laipsnio. Tad varikliai turintys reguliuojamą suspaudimo laipsnį, gali būti sėkmingai pritaikomi dirbti pagal HCCI principą. Automobilių sistemose procesai vyksta greitai, tad galimybė greitai pakeisti suspaudimo laipsnį yra labai naudinga. Viena iš galimybių sumontuoti cilindro viršuje plunžerį, kuriuo būtų galima keisti suspaudimo laipsnį. Jo padėtis keičiama hidrauliniu būdu ir reguliuojama pagal esamas darbines sąlygas. Tyrimai parodė, kad šis metodas yra tinkamas HCCI užsiliepsnojimui bei degimo procesui kontroliuoti, kai keičiasi įsiurbiamo oro temperatūra, degalų tipas ir jų oktaninis skaičius. Tačiau nepateikiama informacija apie tai, ar šis metodas tinkamas, keičiantis variklio apkrovai ir alkūninio veleno sūkiams.

Kitas būdas - naudoti du vienas prieš kitą esančius stūmoklius su atskirai keičiamomis judėjimo fazėmis. Kompanijos SAAB tyrimuose naudojama lankstine sistema, kuri leidžia pakeisti cilindro poziciją. Firma „Envera" sukūrė sistemą, kuri leidžia cilindrų atžvilgiu keisti alkūninio veleno padėtį ir taip keisti suspaudimo laipsnį nuo 8,5 iki 18/1.

Naudojant varikliuose keičiamų vožtuvų valdymo fazių metodą, galima keisti mechaniškai nustatytą suspaudimo laipsnį. Gaunamas panašus efektas, kaip ir naudojant kitus geometrinius būdus suspaudimo laipsniui keisti. Didelį suspaudimo laipsnį variklyje galima pakeisti atitinkamai vėliau uždarant įsiurbimo vožtuvą suspaudimo takto eigoje. Taikant keičiamų vožtuvų valdymo fazių sistemą, visuomet galima suderinti, kad naujai užkraunamas degiuoju mišiniu cilindras būtų gana karštas nuo liekamųjų deginių iš prieš tai vykusio darbinio takto. Pakėlus temperatūrą šiuo metodu, galima valdyti HCCI procesą, naudojant gana žemo suspaudimo laipsnio variklį arba varikliui dar nesušilus iki darbinės temperatūros. Vožtuvai gali būti valdomi mechaniškai, elektromagnetais ar hidraulinėmis pavaromis. Atliekant tyrimus su elektrohidrauliškai valdomais vožtuvais, variklis veikė ir turėdamas tik 10/1 suspaudimo laipsnį.

Deginių recirkuliacija (EGR) - metodas, nereikalaujantis didelių variklio pakeitimų. Naudojami variklio deginiai, kurie pakartotinai tiekiami į įsiurbimo kolektorių. Trūkumas - inertiškumas ir netolygus pasiskirstymas tarp cilindrų.

Naudojant degalus, kurie turi aukštą oktaninį skaičių, valdymas vykdomas įterpiant priedų, kurie didina temperatūrą ar/ir gamina radikalus suspaudimo takto metu. Naudojant degalus su aukštu cetaniniu skaičiumi, įterpiami slopinimo priedai, kurie mažina temperatūrą ar/ir naikina radikalus suspaudimo takto metu. Atlikta nemažai bandymų, kai procesas naudojant aukšto oktaninio skaičiaus degalus kontroliuojamas kaip priedą įterpiant lengvai užsiliepsnojančius degalus.

Kaip pagrindiniai degalai naudojami degalai su aukštu oktaniniu, o žemo oktaninio skaičiaus degalai įpurškiami tuo metu, kai reikalingas degimo procesas. Tokie tyrimai atlikti su metanu ir dimetilo eteriu. Tačiau naudojant tokį variklio valdymo metodą, reikalingos dvi degalų laikymo ir tiekimo sistemos. Variklio valdymo procesai yra suderinami pagal degalų savybes, priklausomai nuo jų oktaninio ir cetaninio skaičiaus. Kaip degalus galima naudoti ir angliavandenilius bei alkoholius, nes garavimas ir maišymas su oru vyksta prieš degimą.

Taikant kintamo suspaudimo laipsnio ir valdumų vožtuvų fazių metodą, galima suvaldyti HCCI variklio darbą. HCCI principu varikliai veikia mažų ir vidutinių apkrovų ribose, tačiau didelės apkrovos zonoje kyla sunkumų. Didelės apkrovos zonoje variklis dirba labai triukšmingai (detonuoja), jis gali mechaniškai sugesti, didokos NO_x emisijos. Pirmieji tyrimai esant didelei apkrovai daromi, keičiant degalų ir oro mišinio sudėtį. Kiti galimi variantai problemoms išvengti: · įpurkšti degalus į cilindrą; · įpurkšti vandenį; · keisti cilindrų užpildymą; · keisti šilumos srautus cilindre.

Kuris techninis sprendimas leistų šiandien išplėsti HCCI valdymo ribas, kol kas nėra aišku. Taip pat neatmetama galimybė, kad, esant didelėms apkrovoms, variklis būtų perjungtas dirbti tradiciniu benzininiu ar dyzeliniu būdu. Šalto variklio paleidimas gali būti kompensuojamas įdiegiant kelis konstrukcinius sprendimus. Tam galima naudoti pakaitinimo žvakes. Taip pat paleidimui naudoti kitokios sudėties degalų mišinius ar degalų priedus, keisti variklio suspaudimo laipsnį bei valdyti vožtuvų fazes. Kibirkštinis uždegimas taip pat galimas, tačiau šiuo atveju reikalingos papildomos išlaidos įrangai.

HCCI variklių NO_x ir kietųjų dalelių deginių emisijos yra labai mažos, tačiau HC ir CO didelės. Pabrėžtina, kad panaikinti CO ir HC deginių emisijas iš HCCI variklio yra daug paprasčiau ir lengviau negu NO_x ir kietąsias daleles iš dyzelinių variklių deginių.

K. Laurinaitis

Mano ūkis, 2013/07