Dyzelinis variklis yra efektyviausias energijos šaltinis iš visų žinomų vidaus degimo variklių. Šiandien jis naudojamas ne tik sunkvežimiuose, bet ir lengvuosiuose automobiliuose, ir kol kas yra nepakeičiamas sunkiojoje technikoje: traktoriuose, žemės ūkio, statybinėse ir kitose mašinose.

Dyzelinis variklis - ne tik energijos, bet ir aplinkos taršos šaltinis. Išmetamosios dujos gali būti kenksmingos žmogaus sveikatai ir aplinkai. Siekiant sumažinti aplinkos taršą, ekonomiškai išsivysčiusiuose regionuose - Šiaurės Amerikoje, Europos Sąjungoje ir Japonijoje - nustatytos deginių emisijos normos ne tik automobiliams, bet ir ne kelių mašinoms. Tai skatina variklių gamintojus tobulinti variklius ir kurti naujas „švarios" jėgainės technologijas su artima nuliui kenksmingų medžiagų emisija.

Iš istorijos

Pirmieji JAV federaliniai deginių emisijos standartai (Tier 1) naujiems didesnės kaip 34 kW (50 AG) galios ne kelių mašinų dyzeliniams varikliams buvo priimti 1994 m. Jie buvo įgyvendinami etapais nuo 1996 iki 2000 m. 1996 m. buvo pasirašyta dyzelinių variklių deginių emisijos reguliavimo principų deklaracija tarp Jungtinių Amerikos Valstijų Aplinkos apsaugos agentūros (EPA), Kalifornijos oro išteklių tarybos (CARB) ir variklių gamintojų („Caterpillar", „Cummins", „John Deere", „Detroit Diesel", „Deutz Fahr", „Isuzu", „Komatsu", „Kubota", „Mitsubishi", „Navistar", „New Holland", „Wis-Con" ir „Yanmar"). 1998 m. rugpjūčio 27 d. EPA pasirašė galutines taisykles, reglamentuojančias šios deklaracijos sąlygas. 1998 m. įsigaliojo Tier 1 standartas varikliams iki 37 kW (50 AG) galios ir buvo patvirtintos griežtesnės Tier 2 bei Tier 3 normos visiems varikliams, jų įsigaliojimą suskirstant į fazes nuo 2000 iki 2008 metų.

Variklių gamintojai Tier 1-3 standartų reikalavimus įgyvendino, tobulindami variklių konstrukciją, nenaudojant arba ribotai naudojant (pvz., oksidacinį katalizatorių) deginių apdorojimą išmetimo trakte. Tier 3 standartai azoto oksidų ir nesudegusių angliavandenilių emisijos griežtumo atžvilgiu buvo tokie pat, kaip ir automobilių varikliams, tačiau Tier 3 standarto reikalavimai kietųjų dalelių emisijai liko tie patys, kaip ir Tier 2 standartuose.

2004 m. gegužės 11 d. EPA pasirašė taisykles, nustatančias Tier 4 emisijos standartus, kurie įsigaliojo etapais nuo 2008 iki 2015 m. Pagal Tier 4 standartus kietųjų dalelių ir azoto oksidų emisijos turėjo būti sumažintos maždaug 90 proc. Tiek sumažinti emisijas pavyko, naudojant panašias valdymo technologijas, įskaitant deginių apdorojimą išmetimo trakte, kokios buvo būtinos 2007-2010 m. automobilių varikliams.

JAV ne kelių mašinų emisijos standartai yra beveik suderinti su Europos standartais.

Europos deginių emisijos standartai varikliams, naudojamiems naujoms mobilioms ne kelių mašinoms, įsigaliojo taip pat palaipsniui griežtinant reikalavimus. Jie žinomi kaip Stage I-IV standartai. Stage I-IV reglamentai dyzeliniams varikliams buvo specifikuoti direktyvoje 97/68/EB ir penkiose pakeitimų direktyvose, priimtose nuo 2002 iki 2012 metų. Viena iš pakeitimų direktyvų (2905) apima emisijos standartus mažiems, kibirkštinio uždegimo ne kelių mašinų varikliams.

Pirmas Europos įstatymas ne kelių mobilių mašinų emisijai reguliuoti buvo paskelbtas 1997 m. gruodžio 16 d. Jis buvo įgyvendintas dviem etapais: priklausomai nuo variklio galios, 1999 m. - Stage I, nuo 2001 iki 2004 m. - Stage II. Standarto reikalavimai apėmė pramoninius gręžimo įrenginius, kompresorius, ratinius statybų krautuvus, buldozerius, ne kelių vilkikus, ekskavatorius, krautuvus, kelių priežiūros įrenginius ir kitas mašinas. Žemės ūkio ir miškų traktoriams buvo taikomi tie patys standartai, tik jų įgyvendinimo datos buvo skirtingos.

Europos Parlamentas Stage III/IV emisijos standartus ne kelių varikliams patvirtino 2004 m. balandžio 1 d., o žemės ūkio ir miškų traktoriams 2005 m. vasario 21 d. Stage III standartai vėliau buvo padalyti į Stage IIIA ir IIIB ir buvo įgyvendinti etapais nuo 2006 iki 2013 m. Stage IV įsigaliojo 2014 metais.

Ateities tendencijos

Paskutinis rūpestis ne keliais judančių transporto priemonių, tarp jų ir žemės ūkio technikos, variklių tiekėjams yra neseniai pasiūlytas deginių emisijos reguliavimo standartas Stage V, skirtas Europos Sąjungos šalims. ES pirmą kartą bus ribojamas ne kelių transporto mašinų išmetamų kietųjų dalelių skaičius (PN). Yra numatomas PN limitas 1x1012/kWh. Taip pat toliau mažinama bendra leidžiama kietųjų dalelių masė, palyginti su Stage IV. Numatoma, kad normos įsigalios 2019 m. Tikėtina, kad galutinės ribos ir bus tokios, kokios siūlomos dabar.

Siūlomos Stage V normos turės skirtingos įtakos skirtingoms variklių kategorijoms. Galima pažymėti, kad varikliams nuo 19 iki 37 kW, be kietųjų dalelių skaičiaus ribojimo, galios ir bendros jų masės mažinimo reikalavimas. Taip pat mažinamos NOx, CH ir CO ribos. Stage V normos apima platesnį variklių galios diapazoną (palyginti su Stage IV reikalavimais). Jos galios dyzelinių mažesnės kaip 19 kW ir visų didesnės kaip 560 kW galios varikliams.

Ar Stage V emisijos normos kelia nerimą variklių gamintojams technine prasme? Nebūtinai. Reikalavimams įvykdyti būtinos technologijos jau egzistuoja. Dauguma jų įdiegtos automobilių varikliuose, siekiant įvykdyti Euro VI normų reikalavimus. Jas tereikia pritaikyti skirtingiems elementams, pavyzdžiui, kietųjų dalelių masei ir ypač jų kiekiui mažinti. Tam bus reikalingas kietųjų dalelių filtras (DPF), dėl kurio taps sudėtingiau komplektuoti Stage V reikalavimus atitinkančias mašinas, tikėtina, padidės ir jų kaina. Tai bus ypač svarbu mažesnei, gamybos sąnaudoms labai jautriai technikai.

Reikia pastebėti, kad nemaža dalis žemės ūkio technikos variklių gamintojų sugebėjo įvykdyti Stage IV normas, nenaudodami kietųjų dalelių filtrų. Dyzelinių variklių gamintojai įdiegė įvairius deginių apdorojimo išmetimo trakte sprendimus, pavyzdžiui, azoto oksidus (NO_x) mažinančią selektyvinio katalitinio redukavimo (SCR) sistemą ir dyzelinių variklių oksidacinį katalizatorių (DOC). Optimizuojant degimo procesą, pavyzdžiui, diegiant pažangias aušinamų deginių recirkuliacijos (EGR) technologijas ir naudojant degimo procesą, kurio metu susidaro nedaug suodžių, dauguma gamintojų atsisakė kietųjų dalelių filtrų ir pasirinko SCR, kaip vienintelį deginių apdorojimo išmetimo trakte įrenginį. Kitos kompanijos pasirinko SCR ir DOC kombinaciją.

Svarbu yra tai, kad technologijos kietųjų dalelių emisijai sumažinti buvo patobulintos, siekiant įvykdyti Euro VI reglamentą dideliems sunkvežimiams.Vienas iš tokių sprendimų yra SCR su kietųjų dalelių filtru, vadinamasis SCRoF. Tai yra SCR ir DPF viename vienete. Šios galimybės neturėjo automobilių variklių gamintojai, įsigaliojus Euro VI normoms. Sprendimo privalumas, palyginti su atskirais DPF ir SCR, yra kompaktiškesnė konstrukcija ir paprastesnis SCR sistemai veikti reikalingos optimalios temperatūros valdymas.

SCR sistema yra sparčiai tobulinama. Pasiekiamas didesnis jos efektyvumas. Jau šiandien SCR įranga gali konvertuoti 97-98 proc. NO_x. Tai reiškia, kad yra potenciali galimybė ateityje atsisakyti EGR kaip dalies NO_x valdymo strategijos, nes didesnis SCR sistemos efektyvumas leidžia toleruoti didesnį variklio išmetamųjų NO_x dalelių kiekį.

Variklių gamintojai siekia, kad ES, JAV ir Japonijos tarnybos, atsakingos už deginių emisijos kontrolę, pasaulio mastu suderintų deginių emisijų standartus, kad variklius būtų galima kurti ir sertifikuoti iškart skirtingoms rinkoms.

Europos Stage I/II standartai buvo iš dalies suderinti su JAV standartais. Stage III/IV reikalavimai yra beveik visiškai suderinti su JAV Tier 3/4 standartais. Kai buvo pasiūlyta patvirtinti Stage V reikalavimus, apie analogiškus standartus JAV ar Japonijoje nebuvo oficialiai pranešta. Jei Stage V bus įgyvendintas Europoje, nepatvirtinus atitinkamų standartų JAV ir Japonijoje, deginių emisijos normų suderinimas su Europa bus prarastas.

Kitos pažangios technologijos ir prioritetai

Galima tikėtis, kad, įsigaliojus naujoms deginių emisijos normoms, ne kelių transporto mašinų tobulinimo prioritetai bus tokie pat, kokius šiandien matome automobilių pramonėje. Stebint automobilių pramonę, galima prognozuoti, kad bus svarbu mažinti ir ne kelių mašinų išmetamą CO₂ emisiją. Didžiausias degalų sąnaudų sumažinimas jau nebegali būti pasiektas, tobulinant tik patį variklį. Vis svarbesnis tampa tinkamas sistemų integravimas į mašiną, siekiant gauti optimalią hidraulinių pavarų komponentų ir variklio kombinaciją, valdomą elektronikos, optimizuojančios visų sistemų veikimą taip, kad būtų gautos mažiausios degalų sąnaudos. Taip pat numatoma toliau tobulinti dabartines variklių technologijas. Tikimasi, kad degalų įpurškimo slėgis didės iki 2 500 bar ir daugiau.

Taip pat numatoma didinti slėgį cilindre, tobulinti oro tiekimo sistemas, įrengiant dviejų pakopų pripūtimą, mažinti variklio litražą ir sūkių dažnį.

Kitas potencialas yra elektrifikavimo ir hibridizavimo technologijos, kurioms skiriamas didelis dėmesys kelių transporto mašinų pramonėje. Jų pritaikymo potencialas ne kelių mašinoms turi būti gerai įvertintas. Ar pavyks sumažinti degalų sąnaudas technikos elektrifikavimu ir hibridizavimu, labai priklauso nuo taikymo srities ir veikimo pobūdžio. Elektrinė pagalbinių agregatų pavara leidžia juos valdyti pagal poreikį ir sumažina galios nuostolius. Poreikis, kad traktoriai tiektų elektros energiją prijungtoms mašinoms, vis didėja. Tad tikėtina, kad traktorių elekrifikavimo lygis tik didės.

Kai kurie specialistai prognozuoja, kad galimos ir kitos naujos technologijos - išmetamos (nepanaudotos) šilumos regeneravimas, kuris gali būti pasiektas įvairiais būdais. Nors dyzelinis variklis yra ekonomiškiausias vidaus degimo variklis, geriausiu atveju tik 40-45 proc. degalams sudegant išsiskyrusios šilumos yra paverčiama naudingu darbu. Dalis su deginiais į aplinką išmetamos šilumos gali būti verčiama mechanine energija, naudojant papildomą deginių turbiną, sujungtą su pavaros velenu (vadinamasis „turbokompaundas"). Galios turbinos ir alkūninio veleno sukimosi greičiams suderinti naudojama krumpliaratinė perdava. Be to, galios turbinai apsaugoti nuo variklio alkūninio veleno sukamųjų švytavimų paprastai papildomai įrengiama hidraulinė perdava. Naudojant mechaninį „turbokompaundą", degalų sąnaudas galima sumažinti 1,5-2,5 procento.

Kitas variantas yra elektrinis „turbokompaundas", kai galios turbina suka elektros generatorių. Elektros energija naudojama elektros varikliui, papildančiam variklio galią, akumuliatorių baterijoms įkrauti hibridinėje sistemoje ar elektrifikuotų elementų pavarai. Turint omenyje kombinuotą įtaką papildomai variklio galiai ir elektrifikuotiems elementams, degalų sąnaudos gali sumažėti 3-4 proc. Tačiau siekiant visiškai išnaudoti elektrinio „turbokompaundo" privalumus, mašinoje turi būti elektrifikuojama kuo daugiau agregatų (pvz., aušinimo skysčio siurblio, ventiliatoriaus, oro kondicionavimo sistemos siurblio elektrinės pavaros ir kt.), įrengiamas papildomas elektros variklis pagrindinio variklio galiai padidinti ir energijos kaupimo sistema galios turbinos energijai akumuliuoti. Tai turi didelės įtakos mašinos dizainui.

Renkino ciklas

Kitas pasirinkimas naudingam darbui iš variklio išmetamos šilumos gauti yra Renkino ciklas. Tai yra idealizuotas šiluminio variklio termodinaminis ciklas, konvertuojantis šilumą į mechaninę energiją. Vienas iš gerai žinomų Renkino ciklo panaudojimo pavyzdžių yra garo variklis, sukurtas pramonės revoliucijos metu. Jį pirmą kartą aprašė škotų inžinierius Viljamas Renkinas (William Rankin) 1859 m., nors garo panaudojimo galiai generuoti idėja buvo pasiūlyta daug anksčiau. Šiandien Renkino ciklai naudojami maždaug 90 proc. pasaulio elektros energijos generuoti.

Išmetamosios šilumos panaudojimo sistema, paremta Renkino ciklu, paprastai yra sudaryta iš siurblio, vieno ar kelių katilų, išsiplėtimo mašinos ir kondensatoriaus. Siurblys slegia katile garinamą skystį. Skysčiui išgarinti naudojama variklio išmetamųjų deginių šiluma. Paskui garas yra kaitinamas iki reikiamos temperatūros, kontaktuojant su tuo pačiu ar kitu šilumos šaltiniu. Tada pakaitinti garai plečiasi turbinoje ar stūmoklinėje mašinoje, kol pasiekia žemutinį slėgio lygį. Išsiplėtimo metu atgauta šiluma konvertuojama į mechaninį darbą. Vėliau kondensatoriuje garai kondensuojasi, aušinami aušinimo skysčio ar aplinkos oro, ir darbinis skystis grąžinamas į pradinę būseną. Turbinos energija gali būti naudojama variklio galiai padidinti arba elektros generatoriui sukti.

Kadangi dyzelinio variklio išmetamųjų deginių temperatūra yra palyginti žemo arba vidutinio lygio, maksimalus efektyvumas ir galia gaunami vietoj vandens naudojant organinius skysčius, tokius kaip metanolis, etanolis, šaltnešis ir kitus arba skysčių mišinius. Taip yra dėl mažesnio skirtumo tarp variklio išmetamųjų deginių ir darbinio skysčio temperatūrų.

Šis šilumos regeneravimo būdas efektyviausiai gali būti pritaikytas varikliams, kurie ilgą laiką dirba didele apkrova. Kompanijos „Cummins" atliekami tyrimai rodo, kad tokiu būdu degalų sąnaudas galima sumažinti apie 10 procentų.