Transporto ir jėgos mašinų katedros Variklių bandymo laboratorijos tyrimais įrodyta, jog skalūninių degalų degimo kokybę galima gerinti ir deginių emisiją sumažinti, panaudojus degalų priedus.

Problemų, kurios kyla naudojant skalūninius degalus, atsiranda dėl to, kad mažos įpurkštų degalų porcijos sunkiai užsiliepsnoja. Praleidžiama tam tikra dalis variklio darbo ciklų, todėl jis veikia nestabiliai, ypač kai sūkiai nedideli ir maža apkrova. Dėl liesojo degiojo mišinio nevisiško sudegimo, skalūninių degalų šiluminės energijos konversijos laipsnis nedidelių apkrovų srityje gerokai mažėja, o į atmosferą išmetamų anglies viendeginio CO kiekiai padidėja iki 10 ir daugiau kartų. Kita didelė problema yra ta, kad bendroji azoto oksidų NOx emisija variklio maksimalaus sukimo momento ir vardinės galios režimuose didėja atitinkamai 22 ir 28 proc. Taip atsitinka todėl, kad skalūninių degalų sudėtyje yra 7–8 proc. deguonies ir azoto, kurie, esant gana aukštai dujų temperatūrai cilindre, jungiasi didindami įprastinį šių teršalų kiekį deginiuose.

Vienas iš būdų, galinčių pagerinti alternatyvių degalų technines savybes, jų energijos konversijos efektyvumą ir sumažinti dyzelinio variklio skleidžiamą žalingą deginių emisiją, yra įterpti daugiafunkcinės paskirties degalų priedus, pavyzdžiui, Marisol FT ir SO-2E. Keturių cilindrų dyzelinio variklio D-243 bandymai, per kuriuos skalūniniai degalai būtų specialiai apdoroti kokybę gerinančiais priedais, anksčiau nebuvo atliekami.

Degalų priedus Marisol FT gamina Švedijos firma „MARITECH“ pagal Anglijoje išrastą ruošimo būdą. Priedų sudėtyje yra naftos produktų, benzino distiliato, T-alkilo aminų, rūgštingumą mažinančių medžiagų ir kitų komponentų. Šis mažos klampos, specifinio kvapo rusvas skystis, galintis tekėti žemoje (–57oC) temperatūroje, plačiai naudojamas boilerių ir laivų degalams apdoroti.

Tinkamu santykiu naudojami priedai išvalo degalų filtrus ir purkštukų antgalius, gerina degalų lašelių išskaidymą ir degimą, apsaugo nuo korozijos, nuosėdų susidarymo karterio dugninėje. Dėl to vidinės variklio detalės (ypač purkštukai, išmetimo vožtuvai, stūmoklių ir cilindro galvutės) mažiau apsineša anglies ir suodžių nuosėdomis. Įvertinę degalų užterštumo laipsnį ir kokybę, gamintojai rekomenduoja degalų pripildymo momentu į baką įpilti minėtų priedų, priklausomai nuo tūrio, santykiu nuo 1:1 000 iki 1:4 000. Jų ypač daug sunaudojama Švedijoje, Suomijoje keleivinių ir krovininių keltų degalams pagerinti.

Priedus SO-2E gamina Estijos UAB „Viru Chemistry Group“ (buvusi Viru Ölitööstus Ltd.) iš skystųjų skalūninių degalų 320–360oC frakcijos. Jų sudėtyje yra sudėtingos molekulinės struktūros fenolinių alkilo ir neutraliu deguonimi prisotintų junginių. Priedai SO-2E – tai takus, tamsiai rudos spalvos, specifinio kvapo skystis, kurio ypač didelis molekulinis svoris (330–342), tankis ir klampa. Ši medžiaga mažai rūgštinga (0,44 mg/ KON/g) ir stingsta palyginti aukštoje (–4oC) temperatūroje. Degalų priedų SO-2E sunaudojama gerokai mažiau negu Marisol FT.

Degalų priedų tyrimai

Kadangi mokslo leidiniuose išsamių duomenų apie priedų SO-2E efektyvumą praktiškai nėra, buvo nutarta skalūninius degalus apdoroti maksimalios koncentracijos (0,2 proc. pagal tūrį) priedais, t. y. įpilti jų į skalūninius degalus aštuonis kartus daugiau (1:500) negu priedų Marisol FT, kad išryškėtų jų savybės.

Estų mokslininkai degalų priedų SO-2E, įterptų į vasarinius dyzelinius degalus santykiu 0,1 tūrio proc., efektyvumą tyrė bandydami BMW 324D (86 AG), Nissan 2.5D (110 AG) ir Scania 12TD (540 AG) automobilių variklius. Mažiausiai kenskmingų medžiagų rasta BMW 324D variklio deginiuose: anglies viendeginio (CO) sumažėjo 15,5 proc., nesudegusių angliavandenilių (HC) – 22,0, azoto oksidų (NOx) – 2,3 proc. Tuo tarpu išbandant galingą Scania 12TD variklį, nustatytas daug mažesnis efektas: CO, HC ir NOx emisijos kiekiai deginiuose buvo sumažinti tik atitinkamai 1,1, 3,4 ir 0,2 proc. Priedus naudojant autobusų dyzeliniame variklyje Karosa B-731, degalų sąnaudos sumažėjo 5–6 procentais.

Priedais apdoroti degalai tampa labiau homogeniški ir stabilūs, t. y. juose esantys nešvarumai, taip pat vandens ir sieros priemaišos, dumblo nuosėdos ir kiti neorganinės kilmės teršalai tolygiai pakimba visame degalų bako tūryje, o nesikaupia vienoje vietoje. Kadangi minėtieji daugiafunkcinės paskirties degalų priedai išsklaido vandens emulsijos likučius ir neutralizuoja degaluose esančias rūgštis, pagerėja metalinių variklio dalių apsauga nuo korozijos, paspartėja angliavandenilio molekulių degimas. Išvada: skalūninių degalų, kuriuose ypač daug įvairių teršalų, kokybė su priedais daug geresnė.

LŽŪU specialistai atliko tyrimus, kurių tikslas – įvertinti ir palyginti degalų priedų Marisol FT ir SO-2E efektyvumą. Buvo nustatytas degimo proceso efektyvumas ir jų įtaka lyginamosioms efektyviosioms degalų sąnaudoms, skalūniniais degalais maitinamam dyzeliniam varikliui dirbant plačiame apkrovos ir sukimosi dažnio kitimo diapazone. Taip pat ištirta, kaip kinta deginių emisija.

Įranga ir tyrimų metodika

Tyrimai atlikti LŽŪU Transporto ir jėgos mašinų katedros Variklių bandymo laboratorijoje visiškai sukomplektuotu keturių cilindrų, keturių taktų, nepripučiamu, skysčiu aušinamu, 59 kW tiesioginio įpurškimo dyzeliniu varikliu D-243, kurio bendras litražas Vl = 4,75 dm3, cilindro skersmuo 110 mm, stūmoklio eiga 125 mm ir suspaudimo laipsnis e = 16:1. Dyzelinis variklis buvo maitinamas estiškais skalūniniais degalais. Juos į variklį tiekė linijinis degalų įpurškimo siurblys, išpurkšdamas degalus pro penkių srautų purkštuvus į toroidinio tipo degimo kamerą stūmoklio galvutėje. Linijinis degalų įpurškimo siurblys buvo sureguliuotas pradiniam (geometriniam) degalų tiekimo pradžios kampui  25o iki viršutinio galinio taško (VGT). Pradinis purkštuko adatos kilimo slėgis visiems purkštuvams buvo sureguliuotas vienodas (17,5±0,5 MPa).

Apkrovos charakteristikos įvertintos asinchroniniu 110 kW elektriniu kintamos srovės dinamometriniu stendu, esant skirtingoms variklio darbo apkrovoms ir pastoviems alkūninio veleno sukimosi dažniams n = 1 400, 1 600, 1 800, 2 000 ir 2 200 min-1. Nustačius variklio darbo skalūniniais degalais apkrovos duomenis, į juos maksimaliu santykiu 1:500 (0,2 proc. tūrio) įterpta estiškų priedų SO-2E ir analogiški tyrimai pakartoti.

Po to skalūniniai degalai buvo apdoroti švediškais priedais Marisol FT minimaliu santykiu 1:4 000 (0,025 proc. tūrio), t. y. 8 kartus mažiau negu estiškų, ir vėl atlikti dyzelinio variklio apkrovos charakteristikų tyrimai.

Variklio deginių emisijos sudėtis matuota dujų analizatoriais Testo 33 ir TECHNOTEST Infrared Multigas Tank, o deginių optinio skaidrumo kitimas skalėje įvertintas nuo 0 iki 100 proc. prietaisu Bosch RTT 100/RTT 110.

Tyrimų rezultatai ir jų analizė

Tyrimų duomenimis, daugiafunkcinės paskirties priedai turi teigiamos įtakos skalūninių degalų sąnaudoms. Didžiausias degalų taupymo efektas pasiekiamas, kai apdorotais skalūniniais degalais maitinamas variklis dirba maža apkrova ir nedideliu sukimosi dažniu. Sūkių kitimo diapazone nuo 1 400 iki 2 000 min-1, kai variklio vidutinis efektyvusis slėgis pe = 0,3 MPa, degalų priedai Marisol FT mažina lyginamąsias efektyviąsias degalų sąnaudas nuo 355–328 g/kWh iki 290–292 g/kWh, arba 18,3–11,0 proc. Nors priedų SO-2E į degalus buvo įterpta 8 kartus daugiau negu Marisol FT, jų įtaka degalų sąnaudoms beveik tokia pati kaip ir švediškų priedų.

Dyzelinį variklį maitinant skalūniniais degalais, didžiausios energijos konversijos ir deginių emisijos problemos iškyla varikliui dirbant mažos apkrovos režimu. Dėl visų neigiamų šių degalų savybių praleidžiami varikio darbo ciklai, todėl maža apkrova jis dirba nestabiliai. Esant tokioms variklio darbo sąlygoms, degimą skatinantys priedai gali padėti degalams savaime užsiliepsnoti ir liesam degiajam mišiniui (a = 6,50–3,80) visiškai sudegti, mažindami efektyviąsias degalų sąnaudas ir didindami bendrąjį šiluminės energijos konversijos lygį. Dėl priedų poveikio dyzelinio variklio darbas skalūniniais degalais mažų apkrovų srityje tampa gerokai stabilesnis. Tačiau variklio sukimosi greičiui padidėjus iki vardinio 2 200 min-1 dažnio, degalų taupymo efektas sumažėja. Apkrovą sumažinus iki ribinio lygio (pe = 0,2 MPa), priedai Marisol FT ir SO-2E lyginamąsias efektyviąsias degalų sąnaudas mažina tik 18–32 g/kWh (5,1–9,2 proc.).

Variklio apkrovai viršijus pe ³ 0,4 MPa ribą, abiejų priedų įtaka degalų sąnaudoms tampa minimali. Varikliui dirbant vardiniu režimu, skirtingų rūšių degalų priedai sąnaudas mažina tik 3,3 ir 1,5 proc.

Kuo didesnė variklio apkrova, tuo aukštesnė dujų temperatūra cilindre ir geresnės riebaus degiojo mišinio garavimo bei degimo sąlygos. Todėl priedai alternatyvių degalų sąnaudų beveik nekeičia. Analizuojant tyrimo rezultatus, būtina įvertinti tai, kad skalūniniai degalai yra prisotinti deguonimi, todėl jų degimo procesas, esant didelei apkrovai, yra geresnis.

Atlikti tyrimai atspindi geresnę priedais apdorotų skalūninių degalų energijos konversiją mažų apkrovų srityje. Svarbu ir tai, kad dėl įterptų degalų priedų liesesnio degiojo mišinio degimo efektyvumas, mažėjant sukimosi dažniui, taip staigiai nemažėja. Kuo mažesnis variklio alkūninio veleno sukimosi dažnis, tuo didesnė priedų įtaka degimo efektyvumui. Skalūninius degalus apdorojus priedais Marisol FT, variklio efektyvusis naudingumo koeficientas, esant 1 400–2 000 min-1 sūkių dažniui ir vidutiniam efektyviajam slėgiui 0,3 MPa, padidėjo 22,3–12,4 proc. Pastebėta, kad skalūninių degalų maišymo su priedais santykis neturi lemiamos įtakos šiluminės energijos konversijos lygiui.

Kai variklio sukimosi dažnis pasiekia vardinį 2 200 min-1 greitį, netgi esant nedidėlėms apkrovoms, skalūninių degalų energijos konversija išlieka pakankamai aukšta. Tai yra atsakymas, kodėl minėtieji priedai tik truputį padidina variklio terminį efektyvumą šiame darbo režime. Tačiau apdorotų skalūninių degalų efektyvumas ekvivalentinės apkrovos režimuose išlieka šiek tiek didesnis, palyginti su tuo, kuris gaunamas dyzeliniam varikliui veikiant be jokių priedų. Panaudojus daugiafunkcinės paskirties degalų priedus, variklio efektyvusis naudingumo koeficientas palaipsniui didėja, didėjant apkrovai, kol pasiekia įprastų skalūninių degalų maksimalų (0,33–0,34) efektyvumo dydį.

Gauti rezultatai parodo, kad, varikliui dirbant skalūniniais degalais su estiškais priedais, NO koncentracija deginiuose, esant sukimosi greičiams 1 400, 1 800 ir 2 200 min-1, sumažėja atitinkamai 572 ppm (22,9 proc.), 732 ppm (28,6 proc.) ir 587 ppm (23,8 proc.). Mažesnės koncentracijos švediški degalų priedai Marisol FT taip pat mažina NO emisijos kiekius atitinkamai 19,2, 20,6 ir 23,7 proc.

Azoto dvideginio (NO2) emisija sudaro tik apie 10 proc. bendrojo NOx kiekio. Apkrautam varikliui dirbant 1 400, 1 800, 2 200 min-1 sukimosi greičiais, degalų priedai SO-2E ir Marisol FT NO2 koncentraciją deginiuose mažina atitinkamai 33,7, 41,6, 13,4 proc. ir 20,8, 24,3, 19,3 proc. Taigi degalų priedai yra efektyvi priemonė, mažinanti aplinkai žalingą NO ir NO2 koncentraciją beveik visomis variklio darbo sąlygomis.

Kai tik dyzelinio variklio apkrova sumažėja ir dujų temperatūra cilindre krenta, teršalų NO ir NO2 emisijos būna minimalios. Tokiu atveju degalų priedai nebūna veiksmingi. Tačiau atidžiau panagrinėjus tyrimų duomenis, galima pastebėti, kad NO emisija nedidelės variklio apkrovos srityje truputį didėja. Tai rodo, kad liesas degusis mišinys geriau sudega, todėl pasiekiamas didesnis variklio efektyvusis naudingumas, padidėja maksimali dujų temperatūra cilindre ir, visiškai logiška, kad NO emisija šiek tiek padidėja.

Analizuojant variklio darbo žemėlapį, matyti, kad, esant sukimosi dažniams 1 400, 1 800, 2 200 min-1, degalų priedai SO-2E ir Marisol FT visiškai apkrauto variklio skleidžiamą bendrąją NOx emisiją mažina 23,1, 29,1, 22,9 proc. ir 16,2, 21,0 23,0 proc.

Azoto viendeginis (NO) formuojasi už liepsnos fronto ribų aukštoje dujų temperatūroje (daugiau kaip 2 000 K), vykstant cheminėms reakcijoms tarp azoto ir laisvojo deguonies atomų. Iš degalų azoto susidarantys papildomi NO kiekiai labiau priklauso nuo degiojo mišinio sudėties, t. y. į cilindrą įpurškiamų degalų porcijų dydžio, ir tik šiek tiek priklauso nuo dujų temperatūros cilindre. Eksperimento metu išmetamųjų deginių temperatūra, panaudojus degalų priedus, kito nedaug: ji sumažėjo vos 15–30oC. Manoma, jog NOx emisija sumažėjo dėl to, kad priedai sutrumpino degalų savaiminio užsiliepsnojimo trukmę, sumažino kinetinei proceso fazei paruoštą degalų kiekį ir sušvelnino degimo procesą.

Dyzelinį variklį maitinant skalūniniais degalais, daugiausia (2 500 ppm ir daugiau) anglies viendeginio (CO) susidaro, esant nedideliam variklio sukimosi dažniui ir mažai apkrovai. Varikliui dirbant minimaliais 1 400 min-1 sūkiais ir nedidele 0,272 MPa efektyvaus slėgio apkrova, priedai SO-2E ir Marisol FT CO emisiją mažina atitinkamai 22,1 ir 44,7 proc. Minimali CO koncentracija deginiuose išmatuota, esant vidutinei 0,52 MPa apkrovai, kai degiojo mišinio sudėtis labiau atitinka liesesnę degalų ir oro santykinę struktūrą a » 2,25. Variklio išorinei apkrovai viršijus nurodytą kritinį tašką, iš skalūninių degalų išsiskiria daugiau CO, panašiai kaip ir iš tradicinių dyzelinių degalų. Daugiau CO išsiskiria dėl to, kad nevisiškai sudega degusis mišinys, kuris tam tikrose kameros vietose yra ypač riebus ir jam visiškai sudegti tiesiog pritrūksta deguonies. Mažų sūkių (1 400 min-1) srityje varikliui dirbant maksimalia apkrova (pe » 0,7 MPa), kai oro pertekliaus koeficientas sumažėja iki kritinės a = 1,65 ribos, degant priedais apdorotiems skalūniniams degalams, CO koncentracija deginiuose padidėja 61,7 proc. (2E) ir 40,5 proc. (FT).

Padidėjus sukimosi greičiui iki 1 600–2 200 min-1 ir apkrovai, skalūninių degalų CO emisija sumažėja. Padidėjus alkūninio veleno sukimosi dažniui, didėja degalų įpurškimo slėgis ir jų lašelių išskaidymo kokybė, dujų sūkuriavimas ir temperatūra cilindre, todėl CO emisija sumažėja keletą kartų. Varikliui veikiant vardine galia, CO emisija svyruoja maždaug nuo 500 iki 1 000 ppm, tačiau degalų priedai ją didina 16,3 (2E) ir 48,0 proc. (FT).

Skalūniniais degalais maitinamo dyzelinio variklio deginių optinį skaidrumą lemia darbo sąlygos. Visiškai apkrauto dyzelinio variklio deginių dūmingumas priklauso nuo suodžių dalelių ir kitų nesudegusių kietųjų dalelių, išmetamų į atmosferą, kiekio. Tuo tarpu, varikliui dirbant maža apkrova, dėl blogo lieso degiojo mišinio garavimo ir nevisiško sudegimo daug nesudegusių skalūninių degalų lašelių šviesiai balkšvo aerozolio pavidalu pakyla virš išmetimo kolektoriaus.

Visiškai sumažinus sukimosi dažnį ir variklio apkrovą, dideli nesudegusių skalūninių degalų lašeliai separuojami filtre-nusodintuve kartu su vandens kondensato ir kitomis nuosėdomis. Dėl šios priežasties neapdorotų skalūninių degalų dūmingumas yra palyginti nedidelis. Kadangi priedai ypač gerina skalūninių degalų degimą šiame išskirtiniame režime, dujų temperatūra pakyla ir dėl to daugiau mažų degalų lašelių balkšvų garų forma pakimba ore tarsi išpurkštas aerozolis. Kai variklio apkrova ir dujų temperatūra ir toliau didėja, priedais apdorotų ir be jų skalūninių degalų skleidžiamo dūmingumo skirtumai mažėja. Visiškai apkrautam varikliui dirbant minimaliais 1 400 min-1 sūkiais, dūmų yra 6,2 proc. (2E) daugiau. Tuo tarpu priedais Marisol FT apdorotų skalūninių degalų dūmingumas beveik nesikeičia.

Esant didesniam (1 800 min-1) alkūninio veleno sukimosi dažniui ir aukštesnei dujų temperatūrai cilindre, skalūninių deginių su priedais SO-2E dūmingumas padidėja vidutiniškai 25–30 proc., o su Marisol FT mažėja maždaug nuo 59,1 iki 9,2 proc., priklausomai nuo apkrovos. Tačiau vardiniame 2 200 min-1 variklio darbo režime abiem priedais apdorotų degalų dūmingumas padidėja. Varikliui pasiekus maksimalią apkrovą, degalų su priedais SO-2E dūmingumas padidėja 35 proc., o su Marisol FT – daugiau kaip 2 kartus.

Nesudegusių angliavandenilių emisija buvo palyginti maža: CH kiekiai deginiuose kito nuo 8 iki 66 ppm. Remiantis bandymų duomenimis, didžiausia CH emisija gaunama, esant nedidelei apkrovai.

Degalų priedų įtaka CH emisijai priklauso nuo variklio sukimosi greičio. Esant nedideliam (1 400–1 800 min-1) veleno sukimosi greičiui, degalų priedai mažina CH emisiją, ypač susiformuojančią, degant liesesniam degiajam mišiniui. Kai sukimosi dažnis padidėja iki 2 000 min-1, visais apkrovų režimais degalų priedų efektas yra menkas. Esant vardiniam (2 200 min-1) sukimosi dažniui, priedais apdorotų skalūninių degalų skleidžiama CH emisija padidėja visais apkrovos režimais. Pasiekus maksimalią apkrovą, skalūninių degalų su priedais CH emisija yra 1,5–1,8 karto didesnė negu neapdorotų skalūnų, tuo tarpu, esant mažai apkrovai, CH susidaro 2,2 (2E) ir 4,3 (FT) kartų daugiau.

Sieros dvideginio kiekiai deginiuose, priklausomai nuo variklio apkrovos, sukimosi greičio ir naudotų degalų priedų, kito nuo 9 iki 54 ppm, tačiau tikslių priklausomybės tendencijų išsiaiškinti nepavyko. 
Remiantis bandymų rezultatais nustatyta, kad daugiafunkciniai degalų priedai gerina skalūninių degalų šiluminės energijos konversijos lygį mažų apkrovų ir nedidelių sūkių srityje, mažina jų sąnaudas energijos vienetui pagaminti, bendrąją azoto oksidų NOx emisiją, taip pat ir NO bei NO2. Priedų įtaka kitiems emisijos rodikliams (CO ir CH), o taip pat deginių dūmingumui priklauso nuo variklio apkrovos, sukimosi dažnio ir kitų darbo sąlygų.