Senkant naftos atsargoms žemės gelmėse, brangsta jos produktai. Antra vertus, didėjančios jų sąnaudos, didina aplinkos taršą, sukeldamos realų pavojų gyvajai gamtai ir žmonių sveikatai. Oro taršos problema labai aktuali visur, kur yra automobilių ir žemės ūkio mašinų, ypač tankiai gyvenamuose miestų rajonuose.

Dėl minėtų priežasčių daugelis pasaulio mokslininkų siūlo įgyvendinti įdomias idėjas ir vykdo intensyvius mokslinius tyrimus, siekdami paskatinti vidaus degimo varikliuose naudoti iš atsinaujinančių energijos šaltinių pagamintus biodegalus ir kitą ne naftos kilmės kurą. Alternatyvių ir pigesnių degalų naudojimas galėtų bent trumpam sustabdyti didėjančias žemės ūkio produkcijos gamybos ir transporto išlaidas, taip pat padėtų spręsti opias gamtosaugos problemas. Tačiau, prieš siūlant vidaus degimo varikliuose naudoti ne mineralinės kilmės degalus, bandymų laboratorijose reikėtų nustatyti ne tik alternatyvių degalų sąnaudas ir apskaičiuoti ekonominę naudą, bet ir labai kruopščiai ištirti deginių emisijos pokyčius. Variklio deginių dūmingumas, kenksmingų medžiagų sudėtis ir jų kiekis, maitinimui panaudojus įvairios kilmės alternatyvius degalus, gali būti labai skirtingas ir, deja, ne visada ekologiniu požiūriu palankus aplinkai ir gyvajai gamtai.

Alternatyva – skalūnų rūdos kuras

Viena iš netradicinių degalų rūšių yra iš skalūnų rūdos gaminamas kuras. Estijos mokslininkų duomenimis, milžiniški skalūnų rūdos klodai, susiformavę šiaurinėje šalies dalyje, didesniame kaip 2 000 km2 plote, glūdi palyginti nedideliame gylyje ir sudaro maždaug 5·109 tonų. Iš Baltijos baseino rūdos pagaminto skalūnų kuro kokybė gali būti vertinama kaip viena iš geriausių pasaulyje. Todėl vietiniai skalūnų rūdos klodai yra laikomi labai svarbiu angliavandenilių šaltiniu ir jų gamyba vystoma plačiu pramoniniu mastu.

Skalūnų rūda išvaloma, smulkinama ir, lėtai kaitinant iki 350-400oC specialiuose žemos temperatūros konverteriuose-generatoriuose, iš jos išgaunamas skystas skalūnų kuras. Skalūnai, kaip kuras šildymui ir elektros generatoriams varyti, jau senokai naudojami Rusijos Leningrago apskrityje ir naftingame Volgos regione, taip pat Baltarusijoje, Kinijoje, Škotijoje ir kitose šalyse.

Šį alternatyvų kurą iš vietinės žaliavos gamina ir Estijos kompanija „Viru Chemistry Group“ (buvusi Viru Ölitööstus UAB). Skalūnų kuras – tai tamsiai rudos spalvos, aštrų ir nemalonų kvapą skleidžiantis skystis. Viena iš teigiamų šio kuro savybių yra ta, kad jo sudėtyje nėra degaluose tirpstančių parafino dalelių, todėl jo stingimo temperatūra yra pakankamai žema ir siekia –35oC. Estijoje iš vietinių skalūnų pagamintu kuru maitinami nedideli šildymo katilai ir boileriai. Lietuvoje, kaip ir Latvijoje, skalūnų kuras taip pat plačiai naudojamas pastatams šildyti ir grūdams džiovinti, nes jo kaina, palyginti su nuolat brangstančiais dyzeliniais degalais, yra maždaug du kartus mažesnė. Estijos mokslininkai pastaraisiais metais skalūnų kurą, kaip alternatyvius degalus, bando pritaikyti dyzeliniams varikliams maitinti, visų pirma, lėtaeigiuose nedidelės galios žvejybiniuose laivuose.

Kuro panaudojimo tyrimas

LŽŪU Transporto ir jėgos mašinų katedros Variklių bandymo laboratorijoje ištirtos šių alternatyvių degalų naudojimo galimybės greitaeigiam tiesioginio įpurškimo dyzeliniam varikliui maitinti. Buvo atlikti išsamūs dyzelinio variklio D-243 stendiniai bandymai, kuriais palyginti tradiciniais dyzeliniais degalais ir Estijos bendrovėje „Viru ölitööstus Ltd. Kohtla-Järve“ pagamintu skalūnų kuru varomo variklio baziniai atskaitos parametrai.

Ištirto skalūnų kuro sudėtyje yra 81-83 proc. anglies, 10-11 proc. vandenilio, 7-8 proc. deguonies bei azoto ir 0,6-0,8 proc. sieros. Anglies ir vandenilio masių santykis šios rūšies skalūnų kure, palyginti su mineraliniais dyzeliniais degalais (6,9), yra didokas ir siekia 7,5-8,1. Kadangi anglis dega lėčiau negu vandenilis, tai galima įtarti, kad skalūnų kuras greitaeigiame variklyje nevisiškai sudegs, todėl ir variklio efektyvumo rodikliai bus šiek tiek blogesni negu maitinant dyzeliniais degalais. Be to, cheminėje skalūnų kuro struktūroje randama 10 kartų daugiau policiklinių aromatinių angliavandenilių, o tai didina jo tankį ir klampą, mažina cetano skaičių, skatina aplinkos drėgmės absorbciją ir korozinį aktyvumą. Kadangi skalūnų kuro sudėtyje yra gerokai daugiau aromatinių angliavandenilių, jam degant cilindruose gali padidėti nesudegusių angliavandenilių emisija ir deginių dūmingumas.

Iš duomenų analizės matyti, kad skalūnų kuro sudėtyje, palyginti su dyzeliniais degalais, yra daugiau sieros ir vandens nuosėdų – atitinkami 32,3 ir 64 kartus. Praktinė šio kuro naudojimo patirtis rodo, kad jame esanti siera sukelia rimtų problemų: ji chemiškai ardo iš gumos pagamintas degalų maitinimo sistemos dalis ir gadina šildymo katilų degiklius. Degant sierai, daugiausia išsiskiria sieros dvideginio SO2, tačiau dalis sieros oksiduojasi į sieros trioksidą SO3, kuris vėliau jungiasi su aplinkos ore esančiais vandens garais ir sudaro sieros rūgšties aerozolį.

Deguonies ir azoto skalūnų sudėtyje taip pat yra gerokai daugiau negu dyzeliniuose degaluose. Turint omenyje struktūrinius skirtumus ir apskritai didelį neorganinės kilmės nešvarumų kiekį skalūnų kure, galima tikėtis, kad dėl blogesnio garingumo ir degumo iškils savaiminio užsiliepsnojimo problemų. Dėl šių priežasčių degimo proceso metu susikaups daugiau pelenų ir išsiskirs mažiau šilumos. Nepaisant labai didelio sieros kiekio skalūnų kure, šių alternatyvių degalų tepumo savybės blogos. Didesnė kinematinė klampa ir blogesnis kuro tepumas gali kenkti degalų įpurškimo siurblio ir purkštuko adatos darbui, o taip pat nulemti degalų išpurškimo kokybę, variklio darbo efektyvumą ir deginių emisijos charakteristikas.

Bandymai ir jų analizė

Varikliui paeiliui dirbant F klasės dyzeliniais degalais ir skalūnų kuru, plačiuose apkrovos ir sukimosi dažnio kitimo intervaluose buvo nustatytos lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos ir įvertintas šiluminės energijos konversijos efektyvumas bei ištirti skalūnų kuro deginių emisijos sandaros ir jų dūmingumo pokyčiai.

Bandymams buvo panaudota standartinė tyrimų įranga ir 59 kW vardinės galios dyzelinis variklis D-243, kurio apkrovos charakteristikos buvo nustatytos alkūniniam velenui sukantis pastoviu n = 1 400, 1 600, 1 800, 2 000 ir 2 200 min-1 dažniu. Degalai į toroidinės formos degimo kamerą stūmoklio galvutėje buvo tiekiami linijiniu įpurškimo siurbliu pro penkių srautų purkštuvus pradiniu ankstinimo 25o kampu iki viršutinio galinio taško. Pradinis adatos kilimo slėgis visiems purkštukams buvo sureguliuotas vienodai ir lygus 17,5±0,5 MPa. Deginių emisijos rodikliams matuoti ir degimo kameroje esančio oro kiekiui įvertinti buvo panaudoti firmų „Testo 33“ ir „Technotest“ dujų analizatoriai. Išmetamų deginių dūmingumas, t.y. optinis jų skaidrumas D (proc.), išmatuoti „Bosch“ prietaisu RTT 100/RTT 110.

Bandymų metu buvo nustatyta, kaip kinta lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos (be), priklausomai nuo dyzelinio variklio išvystomo vidutinio efektyviojo slėgio (pe) ir alkūninio veleno sukimosi dažnio (n), pastarajam dirbant tradiciniais dyzeliniais degalais ir skalūnų kuru. Analizuojant duomenis nustatyta, kad variklį maitinant skalūnų kuru, lyginamosios efektyviosios degalų sąnaudos gerokai padidėja. Minimalių efektyviųjų degalų sąnaudų be reikšmės (265 g/kWh) zona šiek tiek pasikeičia: aukštyn didesnės apkrovos (pe ³ 0,62 MPa) ir truputį į kairę mažesnio sukimosi dažnio (n » 1600 min-1) kryptimi, t.y. variklio optimali veikimo zona persikelia labiau į maksimalaus sukimo momento sritį (žr. pav.). Šį rodiklį galima vertinti kaip vieną iš esminių darbo skalūnų kuru ypatumų, nes, varikliui veikiant dyzeliniais degalais, optimali degalų sąnaudų be (225 g/kWh) sritis išlieka tradicinėje vietoje, esančioje tarp variklio maksimalaus sukimosi momento sūkių ir vardinės jų reikšmės. Kaip ir reikėjo tikėtis, varikliui dirbant skalūnų kuru maksimaliu sukimosi momentu ir vardinės galios režimu, gautos lyginamosios efektyviosios be reikšmės yra atitinkamai 12,3 proc. ir 20,4 proc. didesnės.

Didesnės skalūnų kuro sąnaudos energijai pagaminti gali būti siejamos, visų pirma, su vidutiniškai 3,3 proc. mažesniu jo šilumingumu. Tačiau palyginti nedideli tiriamų degalų žemutinio šilumingumo skirtumai, regis, negali būti vienintelė ir pagrindinė priežastis, dėl kurios gautos gerokai didesnės skalūnų kuro sąnaudos pagamintos efektyviosios energijos vienetui. Kaip matyti be kitimo žemėlapyje, variklio sukimosi dažnį padidinus iki tam tikros (n ³1 800 min-1) ribos ir daugiau, skalūnų kuro sąnaudos pradeda didėti gerokai sparčiau, vardinės galios režime pasiekdamos 277 g/kWh reikšmę. Blogesni skalūnų kuru maksimalia apkrova dirbančio variklio ekonominiai rodikliai didelio sukimosi dažnio srityje buvo gauti, kaip manoma, dėl didesnio anglies kiekio skalūnų sudėtyje ir su tuo susijusiais degiojo mišinio oksidacijos reakcijos ypatumais. Anglies molekulės, palyginti su vandeniliu, oksiduojasi gerokai lėčiau, tad, esant maksimaliems sūkiams, didelei skalūnų porcijai cilindre visiškai sudegti, regis, pritrūksta laiko.

Kita vertus, lengvai apkrauto variklio sukimosi dažniui sumažėjus iki tam tikros n£1 800 min-1 ribos, jo darbas skalūnų kuru tampa labai nestabilus. Taip atsitinka dėl labai sumažėjusios dujų temperatūros degimo kameroje, kuri nepakankama nedidelei skalūnų porcijai savaime užsiliepsnoti ir jai visiškai sudegti. Nepaisant labai mažų skalūnų porcijų, įpurškiamų besikartojančių ciklų metu, ir apskritai lieso degiojo mišinio cilindre, blogas klampaus kuro pasiskirstymas degimo kameroje taip pat gali kelti savaiminio užsiliepsnojimo problemų, skatinti praleisti ciklus ir neleisti kurui visiškai sudegti. Kai tik variklio sukimosi dažnis ir dujų temperatūra cilindre padidėja, mažos skalūnų kuro porcijos degimo sąlygos pagerėja. Kai variklio sūkiai didesni, didesnis įpurškimo slėgis ir intensyvesnis mažų kuro porcijų sumaišymas su cilindre esančiu oru gerina lieso degiojo mišinio kokybę ir degimą.

Tęsinys kitame numeryje