Pastaruoju metu mokslininkai vis dažniau pabrėžia, kad naftos ištekliai žemės gelmėse senka. Nepaisant to, traktorių, vilkikų ir lengvųjų automobilių su dyzeliniais varikliais skaičius didėja, taigi tebeauga dyzelinių degalų poreikis ir jų kaina. Todėl labiau teršiama gamta bei didėja vadinamojo „šiltnamio efekto“ poveikis natūraliai gamtai ir žmonių sveikatai.

Prognozuojama, kad 2010 m. anglies dvideginio kiekis atmosferoje sudarys 0,06 proc., dėl to vidutinė Žemės temperatūra padidės 2,5oC arba pagal pesimistinę prognozę – net 6oC. Dėl intensyvios gamybinės veiklos ir su ja susijusios atmosferos taršos kyla didžiuliai potvyniai ir nuošliaužos, darkomas natūralios gamtos grožis, kinta augmenijos ir gyvūnijos įvairovė. Todėl tapo ypač svarbu ieškoti naujų atsinaujinančių energijos šaltinių ir racionaliai naudoti esamus mineralinių degalų resursus.

Vidutinės degalų sąnaudos 1 t grūdų pagaminti yra nepagrįstai didelės ir įvairiose valstybėse skirtingos. Pavyzdžiui, JAV ir Rusijoje skiriasi net keturis kartus, atitinkamai 45 ir 178 kg/t. Agrarinės ekonomikos instituto duomenimis, Lietuvoje degalų sąnaudos intensyviuose javų auginimo ūkiuose siekia maždaug 70-100 kg/t grūdų. Degalų kiekis produkcijos vienetui pagaminti priklauso nuo technologijų ir žemės ūkio naudmenų našumo, technikos būklės ir eksploatacijos sąlygų. Tačiau dyzelinio variklio ekonomiškumas turi didžiausios įtakos sunaudojamų degalų kiekiui ir kenksmingų medžiagų emisijai.

Respublikoje dirba daugiau kaip 37,5 tūkst. MTZ-80/82 ir kitų NVS šalių gamybos traktorių. Šie traktoriai, deja, nors ir populiarūs dėl nedidelės kainos, yra neekonomiški ir vienai kilovatvalandei energijos pagaminti sunaudoja maždaug 20-25 g daugiau degalų negu vakarietiški tos pačios galios modeliai. Dėl didelių lyginamųjų efektyviųjų degalų sąnaudų patiriami nemaži nuostoliai. Todėl ieškoma būdų, kaip pagerinti minėtų traktorių dyzelinių variklių darbą, mažinti deginių dūmingumą ir kenksmingų medžiagų emisiją.

Purkštuko konstrukcija ir aplinkos tarša

Eksploatacinėms degalų sąnaudoms ir kenksmingų medžiagų sudėčiai bei kiekiui išmetamose dujose didelę įtaką turi purkštuko konstrukcija, t.y. adatos matmenys ir masė, išpurškiamų skylučių skaičius, jų suminis skersplotis ir šulinėlio po adatos sandarinančiuoju kūgiu tūris. Degimo proceso pabaigoje purkštuko adata sandariai uždaro degalų padavimo kanalą, palikdama minėtame šulinėlyje tam tikrą kiekį degalų. Vykstant degimo ir paskesnio dujų išsiplėtimo procesui, šulinėlyje likę dyzeliniai degalai įšyla, dalis jų išgaruoja ir pro išpurškimo skylutes patenka į cilindrą. Degalų savaiminio ištekėjimo greitis mažas, todėl degimo kameroje jie formuojasi stambiais lašeliais, dalis jų pakimba ant purkštuko “nosytės”, vangiai maišosi su išlikusiu cilindre oru ir nevisiškai sudega.

Nustatyta, kad dyzeliniame variklyje nesudegusių angliavandenilių kiekis be kitų degiojo mišinio ruošimo ir degimo procesus įtakojančių veiksnių priklauso nuo purkštuko šulinėlio tūrio. Ryšys tarp purkštuko šulinėlio ir CH emisijos yra akivaizdus: kuo didesnis šulinėlio tūris, tuo daugiau angliavandenilių patenka į aplinką. Tačiau net visiškai panaikinus šulinėlį, tam tikras jų kiekis vis dėlto patenka į aplinką. Taigi ne visi degalų likučiai lieka šulinėlyje, dalis jų prasiskverbia į purkštuko skylutes. Antra vertus, sunkesnės degalų frakcijos nevisiškai išgaruoja, dalis jų skyla į smulkesnes grandis, iš dalies oksiduojasi ir nuodegos palaipsniui kaupiasi purkštuke. Todėl purkštuko konstrukcija ir jo šulinėlio dydis turi didelės įtakos lyginamosioms efektyviosioms degalų sąnaudoms ir išmetamų į aplinką kenksmingų deginių kiekiui.

Optimalūs degalų išpurškimo parametrai priklauso nuo degimo kameros

(DK) tipo ir dydžio, purkštukų padėties joje ir čiurkšlių orientavimo kampų, variklio sukimosi dažnio ir mišinio sūkuriavimo intensyvumo bei kitų veiksnių. Proporcingai padidinus purkštukų efektyvųjį praleidimo skersplotį ir pradinį degalų purškimo slėgį, galima pasiekti, kad daugiau degalų prasiskverbtų į čiurkšlių priekinį paviršių ir aktyviai susimaišytų su kameros oru. Gerai paruošus degųjį mišinį, gerėja variklio ekonominiai rodikliai, mažėja kenksmingų deginių kiekis ir mažiau teršiama gamta.

Didesnis pradinis degalų išpurškimo slėgis spartina degiojo mišinio ruošimo procesą ir didina bendrą čiurkšlių paviršių, aktyviai kontaktuojantį su įkaitusiu kameros oru. Be minėtų veiksnių, teigiamos įtakos degalų išpurškimo ir degiojo mišinio kokybei gali turėti mažesnis adatos kreipiančiosios dalies skersmuo ir masė. Kai adatos masė mažesnė, ji virpa didesniu laisvųjų virpesių dažniu ir kokybiškiau išpurškia degalus.

Variklio darbo su skirtingais purkštukais tyrimai

Minėtoms problemoms spręsti Lietuvos žemės ūkio universiteto Transporto ir jėgos mašinų katedros Variklių bandymo laboratorijoje buvo atlikti specialūs dyzelinio variklio D-243 tyrimai, kuriuos technine įranga parėmė UAB „Meteka“. Buvo tiriama, kaip dirba traktoriaus MTZ-80/82 variklis su standartiniais penkių srautų (5x0,34 mm) ir Čekijos firmos „Motorpal“ to paties skylučių dydžio purkštukais.

„Motorpal“ purkštukų konstrukcija nuo standartinių labai skiriasi. Pagrindinis konstrukcijos skirtumas yra tas, kad „Motorpal“ purkštukų adata tiesiogiai uždaro degalų padavimo skylutes, nepalikdama šulinėlio ir degalų porcijos likučių. Ji sveria 1,66 g mažiau, o adatos kreipiančiosios skersmuo 1 mm mažesnis negu standartinių purkštukų. Lengvesnė adata staigiau atidaro ir uždaro skylutes, o dėl didesnio laisvųjų virpesių dažnio degalai išpurškiami geriau. Antra vertus, palyginti su standartiniais, „Motorpal“ purkštukai buvo sureguliuoti 2,5 MPa didesniam pradiniam degalų purškimo slėgiui, todėl degalų išpurškimo ir degiojo mišinio ruošimo procesas intensyvesnis.

Variklio degalų sąnaudos ir deginių emisijos rodikliai

Varikliui dirbant standartiniais penkių srautų purkštukais, gautos minimaliosios 220 g/kWh lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos. Vardiniame ir maksimalaus sukimo momento režimuose jos buvo didesnės ir atitinkamai lygios – 227,5 g/kWh ir 230,0 g/kWh. Tuo tarpu su „Motorpal“ purkštukais minimaliosios lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos sumažėjo iki 210-215 g/kWh arba 2,3-4,5 proc. Varikliui dirbant šiais purkštukais, minėtosios degalų sąnaudos vardinės apkrovos ir maksimalaus sukimo momento režimuose taip pat gautos mažesnės: atitinkamai 226,4 g/kWh ir 223,0 g/kWh.

Galima pamanyti, kad sutaupyti penki ar septyni gramai degalų vienai kilovatvalandei energijos pagaminti neduos apčiuopiamos ekonominės naudos. Tačiau paimkime kalkuliatorių ir paskaičiuokime: 5 gramais ekonomiškesnis 60 kW galios dyzelinis variklis per darbo valandą sudegina 300 g mažiau degalų. Traktoriui MTZ-80/82 dirbant aštuonias valandas, galima sutaupyti 2,4 kg arba 2,8 l dyzelinių degalų. Per savaitę ūkininkas sutaupytų 14 l, o per mėnesį - 60 l dyzelinių degalų. To visiškai pakanka, kad už sutaupytas lėšas galima būtų nusipirkti naują „Motorpal“ purkštukų komplektą. Juk dyzelinių degalų (ir ne tik) kaina pamažu kyla.

Geriausi rezultatai pagal anglies viendeginio CO ir angliavandenilių CH emisiją gauti, varikliui dirbant „Motorpal“ purkštukais: šių medžiagų kiekiai deginiuose plačiame variklio sukimosi dažnio ir apkrovos kitimo intervale lygūs nuliui. Tik esant labai mažai apkrovai, artimai tuščiosios eigos sūkiams, aptikti nežymūs CO (0,04 proc.) ir CH (8 ppm - tūrio milijoninės dalys) pėdsakai deginiuose. Tai suprantama, nes šiame išskirtiniame dyzelinio variklio darbo režime dujų temperatūra cilindre minimali. Esant neefektyviam ypač lieso mišinio degimo procesui ir žemai kameros sienelių paviršiaus temperatūrai, išsiskiria daugiau anglies viendeginio ir nesudegusių angliavandenilių.

Tuo tarpu dirbant standartiniais purkštukais šių teršalų emisija plačiame sūkių ir apkrovų diapazone buvo didesnė: CO prilygo 0,02-0,05 tūrio proc. ir CH, atitinkamai 8-12 ppm. Pagrindinė CO ir CH emisijos sumažėjimo priežastis, varikliui dirbant su „Motorpal“ purkštukais, - visiškai pašalinta degalų šulinėlio ertmė.

Dyzelinio variklio deginių dūmingumas priklauso nuo degalų cetaninio skaičiaus, t.y. jų cheminės sudėties ir aromatinių angliavandenilių kiekio, taip pat nuo degalų išpurškimo ir degiojo mišinio kokybės, po intensyvios pagrindinio degimo stadijos kameroje vykstančių difuzinių procesų bei sudėtingo suodžių dalelių susidarymo mechanizmo ir jų degimo reakcijos greičio.

Varikliuose sumontavus „Motorpal“ purkštukus, deginių dūmingumą vardiniame režime pavyko sumažinti nuo 99,7 iki 25 proc., t.y. beveik keturis kartus. Maksimalaus sukimo momento ir kituose didelės apkrovos režimuose dūmingumas taip pat mažesnis: D = 21,6-41,7 proc.

Esant mažiems alkūninio veleno sūkiams (n = 1 400 - 1 600 min-1) ir pastoviai variklio apkrovai, savo dydžiu artimai vardinei, bendroji azoto oksidų NOx emisija, dirbant su standartiniais ir modernizuotais purkštukas, yra palyginti nedidelė ir maždaug vienoda (474-568 mg/m3). Tai labai svarbu, nes azoto oksidai ypač kenkia gyvajai gamtai ir žmonių sveikatai. Juk pastarieji maždaug 300 kartų greičiau patenka į žmogaus organizmą negu anglies viendeginis. Tačiau vardiniame n = 2 200 min-1 režime „Motorpal“ purkštukai NOx koncentraciją deginiuose padidina 36,7 proc. (700 mg/m3). Šiuo atveju degalų įpurškimo parametrų ir degiojo mišinio struktūriniai pokyčiai, gerinantys variklio ekonomiškumą, mažinantys CO, CH emisiją ir dūmingumą, didina dujų temperatūrą degimo kameroje ir skatina azoto oksidų emisiją. Variklių specialistams iki šiol nepavyksta daugiau ar mažiau vienodai sumažinti visų deginių emisijos komponentų, nes atskirų cheminių junginių susiformavimo temperatūriniai režimai ir kitos reakcijos sąlygos yra skirtingos. Taigi azoto oksidų padidėjimo priežastys, nors ir žinomos, tačiau jas pašalinti nelengva, nes tai tampriai susieta su geresne degalų ekonomija, beveik keturis kartus mažesniu deginių dūmingumu ir kitais variklio emisijos rodikliais.