Nuo 2014 m. sausio 1 d. daugiau kaip 130 kW/174 AG pajėgumo ne transporto paskirties varikliams įsigalioję griežtesni emisijų reikalavimai privertė gamintojus dar sykį peržiūrėti jėgos agregatų ir net pačių traktorių konstrukcijas.

Griežtesni emsijų reikalavimai pradedami taikyti nuo vidutinės ir didelės galios variklių, t. y. apribojimai pirmiausiai taikomi santykinai didesniems aplinkos teršėjams. Šių metų gruodžio 31 d., baigiantis gamintojams suteiktam dvejų metų pereinamajam laikotarpiui, palengva pradedamos pristatyti naujienos vidutinės ir didelės galios traktorių klasėse: naujieji Case IH Puma (modeliai 150-240) ir John Deere 6R (modeliai 6175R, 6195R ir 6215R), Challenger MT700E/800E, Fendt 800 ir 900 Vario S4, Valtra T4 ir kiti. Neabejotinai daugiausia naujienų bus galima pamatyti šį rudenį Hanoveryje vyksiančioje tarptautinėje parodoje „Agritechnica".

Taršos mažinimas

Taršos mažinimo mastą geriausiai iliustruoja šios srities pasiekimai. Nuo 1996 m., kai buvo įdiegti pirmieji Etapo I/Tier 1 taršos reikalavimai vidutinės ir didelės galios ne transporto paskirties varikliams (kaip tik tuo metu Lietuvos ūkiuose pradėti eksploatuoti pirmieji nauji vakarietiški traktoriai) iki 2011 m. įsigaliojusių pereinamųjų Etapo IIIB/ Tier 4i emisijos reikalavimų, azoto oksidų (NOX) ir suodžių (PM) emisija sumažėjo beveik 60 proc. 2011-aisiais azoto oksidų emisija sumažinta dar 50 proc., o suodžių - net 90 proc.! Etapo IIIB/Tier 4i emisijų reikalavimus atitinkančios mašinos šiuo metu sudaro didžiąją dalį šalyje parduodamų vidutinės ir didelės galios traktorių, kuriuos po truputį keičia naujesnės ir brangesnės mašinos, atitinkančios dar griežtesnius Etapo IV/Tier 4f taršos reikalavimus.

Pirmieji ekologiniai reikalavimai įgyvendinti, priderinus maitinimo sistemas, o pirmuosius didžiuosius traktorių variklių pokyčius galima matyti nuo 2002 m., kai įsigaliojo Etapo II/Tier 2 emisijų reikalavimai. Mechaninius variklių maitinimo sistemų sūkių reguliatorius pakeitė pirmosios elektroninės variklio valdymo sistemos, turbokompresorinio pripūtimo sistemas papildė tarpiniai oro aušintuvai, aušinantys tiekiamą suslėgtą orą ir didinantys cilindrų pripildymą. Išvardytomis priemonėmis pavyko gauti geresnes variklių charakteristikas: didesnį maksimalų sukimo momentą ir didesnę galią tame pačiame sūkių diapazone.

Dar daugiau keitimų pareikalavo 2006 m. įsigalioję Etapo IIIA/Tier 3 emisijų reikalavimai, atvėrę kelią common rail maitinimo sistemų dominavimui traukos mašinų segmente. Mažesnė azoto oksidų emisija pasiekta, įrengus išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemą EGR, kuri, priklausomai nuo variklio konstrukcijos, gali būti vidinė arba išorinė.

2011-aisiais, ketvirtą kartą iš eilės pasikeitus emisijų normatyvams, prireikė kur kas radikalesnių priemonių. Tarpiniai Etapo IIIB/Tier 4i reikalavimai numatė itin mažas azoto oksidų ir suodžių emisijas, todėl pirmą kartą traktorių varikliuose pradėtos taikyti išorinės kenksmingų deginių mažinimo priemonės: oksidaciniai (DOC), selektyvinio katalitinio redukavimo (SCR) katalizatoriai ir suodžių arba kietųjų dalelių filtrai DPF. Naudojant pastaruosius neišvengta išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemos EGR.

Nuo praėjusių metų sausio 1 d. įsigaliojo griežčiausi Etapo IV/Tier 4f emisijų reikalavimai, radikaliai mažinantys azoto oksidų emisiją. Jau įgyvendinant Etapą IIIB/Tier 4i, išsiskyrė technologijų, kurias pasirinko gamintojai, skirtumai: didžioji dalis ne transporto paskirties variklių įrengė SCR katalizatorius (kai kurie su oksidaciniu katalizatoriumi DOC), o „Cummins", „John Deere Power Systems" (JDPS) „Perkins" kompanijos pasirinko alternatyvią kryptį: EGR sistemą kartu su oksidaciniu katalizatoriumi DOC ir regeneraciniu suodžių filtru DPF.

Etapo IV/Tier 4f reikalavimai pateikia dar didesnę įvairovę. Gauti reikiamą azoto oksidų emisiją taikomi trys pagrindiniai scenarijai.

Kenksmingų deginių emisijos mažinimo priemonės

Variklio cilindruose degant degalų ir oro mišiniui, susidaro šalutiniai, kenksmingi produktai, iš kurių didžioji dalis yra suodžiai arba kietosios dalelės (PM), azoto oksidai (NOX), anglies monoksidas arba smalkės (CO) ir angliavandeniliai (CH). Kenksmingiems produktams susidaryti ir ypač jų kiekiui didelę įtaką turi variklio darbo režimas.

Visos kenksmingų deginių emisiją mažinančios priemonės skirstomos į dvi grupes: vidines arba variklines ir išorines, kai deginiai apdorojami išmetimo sistemoje. Pastarosios priemonės neturi tiesioginės įtakos variklio darbo procesui, jam yra palankesnės, tačiau atima brangią erdvę aplink variklį, kuri taip reikalinga papildomiems mazgams įrengti.

Išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR yra vidinė, variklinė priemonė. Savo ruožtu, EGR taip pat gali būti vidinė ir išorinė. Vidinėse EGR sistemose dalis išmetamų deginių atgal į cilindrus grąžinami pradarant įleidimo vožtuvus, t. y. reguliuojant vožtuvų valdymo fazes. Taip dalis išmetamųjų dujų patenka į įleidimo kolektorių, iš kurio įleidimo metu kartu su šviežiu oru jos vėl grąžinamos atgal į cilindrus. Vidinės EGR sistemos yra nebrangios, tačiau atgal į cilindrus grąžinamų deginių kiekio negalima reguliuoti ir jie nėra papildomai aušinami. Tokia sistema naudojama „AGCO Power" ir kai kuriuose JDPS varikliuose, kuriuose yra po 2 vožtuvus kiekvienam cilindrui. Išorinė EGR sistema dalį (anksčiau 18- 25 proc., Etapo IV/Tier 4f atveju - iki 8 proc.) išmetamųjų dujų atgal į cilindrus grąžina išoriškai, per „skystis-oras" tipo aušintuvą - šilumokaitį, pro kurį prateka variklio aušinimo skystis, ir reguliatorių, kuris keičia grąžinamų deginių kiekį priklausomai nuo variklio darbo režimo.

Nepriklausomai, kokio tipo EGR sistema įrengta, ji lemia cilindrų pripildymą ir taip mažina kenksmingų deginių koncentraciją išmetamosiose dujose. Grąžintos atgal į cilindrus dujos sumažina degimo (ciklo) temperatūrą, tad susidaro gerokai mažiau NOX - azoto oksidai susidaro aukštos temperatūros zonose, esant oro pertekliui. Sumažinus lokalias degimo temperatūras, kai vyksta degimas, esant mažesniam oro pertekliui, susidaro daugiau suodžių. Dėl šios priežasties EGR sistemos Etapo IIIB/Tier 4i reikalavimus atitinkančiuose varikliuose derinamos su suodžių filtrais DPF.

DPF filtras laikomas efektyviausia priemone kietosioms dalelėms iš deginių pašalinti, tačiau, daugėjant suodžių filtre, didėja slėgių skirtumas (atitinkamai, sunkiau pašalinamos išmetamosios dujos, pablogėja variklio greitinė charakteristika), todėl iš keraminio filtro elemento reikia išvalyti susikaupusias suodžių daleles. Automatiškai arba priverstinai turi būti įjungtas filtro regeneravimo režimas, kad būtų sudeginti jame sukaupti suodžiai. Šio proceso dažnumui didelę įtaką turi variklio darbo sąlygos, o regeneracijos trukmei - sukauptų suodžių kiekis ir papildomas dyzelino dozavimas į išleidimo sistemą priešais DPF filtrą.

Automatinei regeneracijai palankiausios sąlygos susidaro varikliui dirbant didelės apkrovos režimu, nes suodžiams sudeginti - anglį oksiduoti į nenuodingą anglies dvideginį (CO₂) - reikia didesnės išmetamųjų dujų temperatūros. Tokios sąlygos dažnos traukos traktoriuose, javų kombainuose ir savaeigiuose smulkintuvuose sumontuotuose varikliuose. Lengvai dirbančiuose jėgos agregatuose gana dažnas gali būti priverstinės regeneracijos ciklas. Variklių gamintojai tai žino, todėl kartu su DPF filtru naudojamas oksidacinis katalizatorius DOC, leidžiantis beveik perpus, iki 300 °C, sumažinti suodžių oksidavimo temperatūrą.

DPF filtrai, skirtingai nei DOC ir SCR katalizatoriai, po atitinkamo darbo valandų skaičiaus yra išimami ir išvalomi arba keičiami naujais.

DPF filtro alternatyva - CDPF (angl. Catalysed Diesel Particulate Filter) arba CSF (angl. Coated Soat Filter) filtras. Tai kombinuotos konstrukcijos, katalitiškai padengtas tauriaisiais metalais (dažniausiai platina), kurie pagerina suodžių sudeginimą, filtras. Nors šis filtras ne toks efektyvus, tačiau dėl modifikuotos katalitinės dangos filtre nelieka deginių likučių, pelenų, todėl CDPF eksploatacijos laikas potencialiai ilgesnis.

Oksidacinis katalizatorius (DOC) yra nedidelių gabaritų, neaptarnaujama išorinė kenksmingų deginių emisijos mažinimo priemonė. Jo paskirtis dvejopa: mažinti CH ir CO emisiją, o kartu su DPF filtru ir SCR katalizatoriumi - azoto monoksidą (NO) oksiduoti į azoto dioksidą (NO₂). Pastarojo dalis bendrame azoto oksidų kiekyje svarbi toliau linijoje įrengto SCR katalizatoriaus darbui. Be to, dėl NO₂ suodžiai sudeginami kur kas žemesnėje temperatūroje - tai svarbu naudojant jį kartu su suodžių filtru.

Varikliuose be EGR sistemos degimo temperatūra didesnė, tačiau dėl šios priežasties azoto oksidų koncentracija deginiuose taip pat padidėja. Selektyviniam azoto redukavimui naudojami SCR katalizatoriai, kuriuose procesas vyksta nenutrūkstamai. Tinkamiausiu reduktoriumi yra amoniakas (NH₃), kuris gaunamas iš 32,5 proc. karbamido vandens tirpalo, Europoje žinomo kaip AdBlue, Šiaurės Amerikoje - kaip DEF (angl. Diesel Exhaust Fluid). SCR technologijos trūkumas - papildomas technologinis skystis, jo saugojimas traktoriuje, dažnai sumažinantis degalų bako talpą, ir tirpalo darbinių charakteristikų priklausomybė nuo aplinkos temperatūros (ir žemos, ir aukštos). Redukavimo medžiaga yra dozuojama į deginius, ji turi savo valdymo sistemą. Šiandien jau sukaupta ilga SCR katalizatorių gamybos ir naudojimo patirtis, todėl teisingai eksploatuojant jis nesukelia jokių bėdų net temperatūrai nukritus žemiau negu -11°C.

Selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorius jautrus degaluose esančiai sierai. Be to, siera itin kenkia preciziniams maitinimo sistemos, kurioje slėgis dabar jau pasiekęs 2000 bar ribą, elementams.

Taikant HiSCR technologiją, nuosekliai už SCR katalizatoriaus išmetimo sistemoje įrengiamas amoniako blokavimo katalizatorius CUC. HiSCR strategija numato didesnį AdBlue tirpalo dozavimą, todėl dalis redukavimo medžiagos nekonvertuojama į NOX. Kad aplinka nebūtų teršiama amoniako dujomis, naudojamas papildomas oksidacinis katalizatorius CUC, kuris dar vadinamas amoniako blokavimo katalizatoriumi.

Retai atkreipiamas dėmesys, tačiau karterio dujas, kuriose angliavandenilio dujų gali būti daugiau negu išmetamosiose dujose, nauji emisijų reikalavimai taip pat reikalauja apdoroti. Karterio dujos, kuriose yra ir suodžių, ir alyvos dalelių, per specialų alyvos skirtuvą yra grąžinamos atgal į variklio įleidimo sistemą ir kartu su šviežiu oru patenka vėl į degimo kamerą. 

***

Priemonės azoto oksidų emisijai mažinti

• Selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorius SCR kartu su katalitiškai padengtu suodžių filtru CDPF. Taikant šią strategiją varikliuose įrengiama išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR (atgal į cilindrus grąžinama ne iki 25 proc., kaip buvo Etapo IIIA/Tier 3 atveju, o tik iki 8 proc. išmetamųjų dujų), o priešais SCR katalizatorių atidirbusių dujų išleidimo linijoje - dar ir oksidacinis katalizatorius DOC. Ne transporto paskirties varikliuose šią technologiją taiko kompanijos „AGCO Power", „Deutz AG".
• Selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorius SCR kartu su regeneraciniu suodžių filtru DPF. Taikant šią strategiją, varikliuose įrengiama išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR, priešais SCR katalizatorių atidirbusių dujų išleidimo linijoje įrengiamas oksidacinis katalizatorius DOC. Už DPF filtro įrengiamos amoniako blokavimo katalizatorius CUC (AOC). Ši technologija naudojama kompanijų „John Deere Power Systems" (JDPS), „Perkins" varikliuose.
• Oksidacinis DOC ir selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatorius SCR. Ši technologija dar kartais vadinama HiSCR. Papildomai už SCR katalizatoriaus montuojamas amoniako blokavimo katalizatorius CUC. Ne transporto paskirties varikliuose ši technologija naudojama „FIAT Powertrain Technologies" (FPT), „Daimler AG"/MTU, „Scania" gamybos varikliuose. Mažos, iki 130 kW, galios klasėje ši technologija, tačiau be CUC katalizatoriaus, taikoma kompanijos „AGCO Power" varikliuose.

***

Per du dešimtmečius penkiais etapais griežtėjusių taršos reikalavimų negalima vertinti negatyviai. Žvelgiant ne paviršutiniškai, o iš pagrindų, taršos reikalavimai per pastarąjį laikotarpį traktorių pavertė pačia efektyviausia traukos mašina. Taršos reikalavimai labai pakeitė variklio skyrių, suformavo naujus mašinų naudojimo standartus ir principus.

Kiekvienąkart atnaujinant emisijų reikalavimus, gamintojai buvo priversti tobulinti savo produktus. Sunku patikėti, tačiau visos šiuolaikinio traktoriaus efektyvumą didinančios priemonės, įskaitant pačius pažangiausius techninius sprendimus, įdiegtos tik dėl griežtėjusių ekologinių reikalavimų. Turbokompresorinis pripūtimas, tarpinis oro aušinimas, elektroninis variklio valdymas, didelio slėgio akumuliatorinės common rail maitinimo sistemos, net bepakopis greičio reguliavimas, kintamo debito apkrovai jautrios hidraulinės sistemos įdiegtos tik pradėjus kontroliuoti variklių emisiją.

Griežtesni taršos reikalavimai skatino ieškoti ne tik išorinių priemonių, apdorojančių deginius išleidimo sistemoje, bet ir efektyvinti variklio darbą, didinti jo naudingumo koeficientą. Nors ekologiniai reikalavimai brangina variklio konstrukciją, jie verčia peržiūrėti nusistovėjusius komponavimo standartus, atveriant kelią naujiems sprendimams (pavyzdžiui, konstruojant kompaktiškesnius mazgus). Išaugusias mašinų įsigijimo investicijas atsveria pažangesnių konstrukcijų privalumai ir didesnis bendras mašinos efektyvumas. Todėl ekologiniai reikalavimai pagrįstai laikomi techninių idėjų katalizatoriais