23 10 24 Mano ukio prenumerata 2024 23 04 15 Gauti naujienas mobili žurnalas
Mano Ūkis 2006/11
Variklio galia ir jos matavimai
  • Dainius ŠIŠLAVAS, LŽŪU
  • Mano ūkis

Dažnas žemdirbys, besirenkantis savaeigę mašiną, pirmiausia pasidomi jos variklio galia. Skaitinė galios reikšmė slepia daug naudingos informacijos, o kartais – intrigos.

Nors galia nėra svarbiausias variklio efektyvusis rodiklis, tačiau renkan­tis savaeigę mašiną (traktorių, javų nuėmimo, cukrinių runkelių ar kitokį kombainą, žolinių pašarų ruošimo mašiną) kaip vienas pagrindinių dydžių vertinama būtent galia.

Naudojami ir išvestiniai dydžiai – lyginamasis masės ir galios santykis (kg/kW arba kg/AG), litrinė galia, t. y. galia, tenkanti vienam variklio darbo tūrio litrui (kW/l arba AG/l), ir ekonominis vienetas – lyginamoji vienos arklio galios (Lt/AG, EUR/AG ir pan.) kaina.

Pagal tarptautinę SI vienetų sistemą pagrindinis galios matavimo vienetas yra vatas arba kilovatas (W arba kW; 1 kW = 1 000 W). Tačiau vartotojams tradiciškai priimtinesnis yra nuo XVIII a. naudojamas išvestinis dydis – arklio galia (AG; 1 kW = 1,341 AG). Atkreipsime dėmesį, kad vakarietiškoje techninėje literatūroje naudojamos galios dimensijos (HP ir PS) taip pat skiriasi. Paklaida – 1,014. Taigi šiais atvejais 1 kW = 1,36 AG.

Galią lemiantys veiksniai

Degant degalams, cilindruose išsiski­ria šiluma. Ji paverčiama mechanine energija. Tačiau ne visa išsiskyrusi šiluma ir ne visa energija panaudojama naudingai. Dalis jos būtinai sunaudojama vidinei variklio trinčiai nugalėti (velenų slydimo guoliuose, krumpliaratinėse pavarose ir pan.) ir papildomiems energijos vartotojams, pavyzdžiui, generatoriui, pneumatinės stabdžių sistemos ir oro kondicionieriaus kompresoriams, ventiliatoriui, papildomiems alyvos siurbliams/hidrauliniams varikliams sukti ir t. t.

Gamintojai savaeigių mašinų variklių charakteristikose nurodo vadinamąją efektyviąją arba naudingąją galią, t. y. tokią galią, kuri alkūniniu velenu tiesiogiai perduodama transmisijos pirminiam velenui ir GTV sankabai, o ši, – savo ruožtu, toliau į transmisiją ir galines pavaras. Efektyvioji galia visada mažesnė už teorinę arba vidinę variklio galią. Ją sumažina mechaniniai nuostoliai. Vidinė galia dar vadinama indikatorine ir gaunama, cilindruose dujų slėgiui veikiant į stūmoklius (metodiką apibrėžia DIN 1940 norma). Paprastai vidinė galia 10–35 proc. didesnė už efektyviąją galią.

Mechaniniams nuostoliams variklyje įveikti sunaudojama nuo 10 iki 20 proc. galios. Nors nuo Rudolfo Dyzelio sukonstruoto pirmojo dyzelinio variklio praėjo ištisas šimtmetis, bendras šio variklio efektyvumas ir toliau išlieka pakankamai mažas – 30–50 proc.

Variklio galia didinama trimis pagrindiniais būdais: didinant darbo tūrį (cilindrų skaičių, jų skersmenis), alkūninio veleno sūkių dažnį ir slėgį (naudojant turbokompresorinį pripūtimą su tarpiniu oro aušinimu). Tačiau egzistuoja ir kitų galios didinimo priemonių: cilindrų pripildymo gerinimas, įrengiant 3 (Lamborghini, Same varikliai) ar 4 vožtuvus (Deutz, John Deere, Mercedes-Benz OM, New Holland/Iveco, SisuDiesel) kiekviename cilindre, įleidimo ir išleidimo kolektorius įrengiant skirtingose variklio pusėse (kad išmetamųjų dujų temperatūra nekeistų įleidžiamo oro temperatūros), montuojant tiksliau degalus dozuojančias ir dideliu slėgiu juos įpurškiančias maitinimo sistemas (modulines siurblys-vamzdelis-purkštuvas – Deutz, Lamborghini, Same; akumuliatorines common rail – Cummins, Deutz, John Deere, New Holland/Iveco, SisuDiesel; kompaktines siurblys-purkštuvas – Caterpillar, Mercedes-Benz OM) ir pan.

Galios matavimas

Variklio galia matuojama ­mechaniniu, hidrauliniu arba elektriniu stabdymo sten­du, esant atitinkamam aplinkos oro slėgiui ir 20o C temperatūrai. Išorinė dyzelinio variklio charakteristika gaunama, esant didžiausiam galimam degalų tiekimui. Pasiekus reikiamą sūkių dažnį, variklis stabdymo stendo apkraunamas didžiausiu galimu sukimo momentu, kuris matavimo metu išlaikomas pastovus. Matavimai dažniausiai pradedami nuo 1 000 min-1 iki didžiausio sūkių dažnio (2 100–2 400 min-1), matuojant atitinkamais intervalais, dažniausiai kas 100 min-1. Sujungus gautus taškus koordinačių sistemoje virš sūkių dažnio nubrėžiama galios charakteristika.

Būsimam mašinos pirkėjui itin svarbus yra traukos galios dydis. Tai galia, kurią konkrečiomis sąlygomis ir važiuodamas atitinkama pavara išvysto traktorius. Traukos galia mažesnė už aptartą efektyviąją galią. Skirtumas sunaudojamas nuostoliams transmisijoje, GTV pavaroje ir šio veleno sukamoms agregatų darbinėms dalims, riedėjimo trinčiai, įkalnių, varančiųjų ratų buksavimui nugalėti, o atskirais atvejais ir greičių skirtumui, perjungiant pavaras, įveikti. Tačiau reikia pastebėti, kad traukos galiai turi įtakos ne tik nuostoliai pavarose, bet ir traktoriaus masė (varančiųjų ratų apkrova), ir atraminis paviršius (ratų geometriniai matmenys ir slėgis padangose).

Traktorių gamintojai nepateikia traukos galios. Ją matuoja specialios institucijos. Mus dažniausiai pasiekia DLG ir Nebraskos universiteto (JAV) traktorių bandymų laboratorijos protokolai. Pastarajame universitete traukos galia pagal SAE normas matuojama įvairiais transmisijos darbo režimais, nustačius pastovius variklio sūkius. Bandymuose dalyvauja traktoriai ir be balastinių svorių, ir su jais. Papildomai pagal OECD normas išmatuojama GTV perduodama galia.

Standartai ir normos

Galia matuojama pagal daugybę normų: CUNA, DIN, ECE, EG, GOST, ISO. Savaime suprantama, skaitinė galios reikšmė priklauso nuo normos ­apibrėžtų matavimo sąlygų. Todėl, pavyzdžiui, pagal CUNA išmatuota galia 5–10 proc. didesnė už DIN dydį. O SAE normos nuo DIN skiriasi nors ir nedaug, tačiau į mažesnę pusę.

Vakarietiškų traktorių variklių galią galima aptikti išmatuotą pagal 10 skirtingų normų: SAE J 1955 3.1, SAE J 1349 4.2.4, ISO TR14396, ECE R24 (ECE R24.03), DIN 70020, EEC 80/1289, EC 8-0/1269, 97/68/EC (EG 97/68), OECD, BS AU 141a: 1971. Tiesa, jų yra ir daugiau. Pavyzdžiui, Same Deutz-Fahr traktorių grupėje galia papildomai nurodoma pagal 2000/25/EC normą. Tačiau dažniausiai galia pateikiama pagal ECE R24, 97/68/EC (EG 97/68), DIN 70020 ir ISO TR14396 normas. Atsižvelgiant į tai, skirtingų gamintojų pateiktų galios skaitinių reikšmių lyginti tiesiogiai negalima.

SAE J 1955 3.1 norma daugiausia naudojama JAV rinkoje. Tai bendroji variklio galia, neįvertinanti jokių papildomų įrenginių (energijos vartotojų) poreikio. Sumontuotas tik variklio aušintuvas. Norma SAE J 1349 4.2.4, atvirkščiai, jau įvertina papildomų įrenginių, išskyrus papildomai montuojamų hidraulinių siurblių ir pneumatinės stabdžių sistemos bei oro kondicionieriaus kompresorių poreikius. Generatorius, nors ir sumontuotas, tačiau sukamas neveikiant apkrovai.

Galia, pateikta pagal ISO TR14396 normą, nurodo bendrą jos dydį, neįvertinus papildomo energijos suvartojimo (net ventiliatoriaus) poreikio. Kadangi variklis skysčio siurblio nesuka, aušinimo skystis tiekiamas išorinio įrenginio. Aušintuvas taip pat nenumatytas. Nors generatorius sumontuotas, tačiau jo rotorius sukasi laisvai. Numatytas tik išmetamųjų dujų slopintuvas.

BS AU 141a: 1971 yra Didžiojoje Britanijoje galiojanti galios matavimo norma. Tai taip pat bendroji galia, neįvertinanti papildomo energijos poreikio. Tačiau reikalavimai aplinkos sąlygoms atitinka vieną griežčiausių europietiškų DIN 70020 normų. Dūmingumas matuojamas, esant 80 proc. variklio apkrovai.

Pagal DIN 70020, kaip ir pagal ECE R24 (ECE R24.03), normą pateikiama varik­lio galia su papildomos energijos poreikiais, tarp jų su oro valytuvu ir prijungtu skysčio siurbliu. Generatorius taip pat prijungtas, tačiau rotorius sukasi laisvai. Ant variklio neuždėti pneumatinės stabdžių sistemos ir oro kondicionieriaus kompresoriai, nenumatyti papildomi hidrauliniai siurbliai (pvz., vairavimo sistemos stiprintuvo). Ventiliatoriaus visko (klampio) movos įjungimo laipsnis nenustatinėjamas.

ECE R24 (ECE R24.03) norma iš esmės panaši į EC 88/105 normą. Ji buvo sukurta kelių transporto variklių galiai matuoti, tačiau EC 77/537 pakeitimai pritaikė ir žemės ūkio paskirties savaeigių mašinų variklių galiai nustatyti. Atsižvelgiant į pakeitimus, dūmingumas matuojamas, esant ne 100, o 80 proc. variklio apkrovai. Variklio ventiliatorius, jei yra galimybė, išjungiamas. Jei jo pavaroje yra visko (klampio) mova, ji įjungiama iki galo (DIN 70020 – mažiausias klampio movos buksavimo dydis). Skirtingai nuo ECE R24, 97/68EC (EG 97/68) norma neįvertina ventiliatoriaus pavaros pasipriešinimo.

Verta atsiminti, kad galia, išmatuota pagal ISO TR14396 normą, yra iki 8 proc. didesnė už ECE R24 normos skaitinę galios reikšmę. Panašus skirtumas yra ir tarp 2000/25/EC bei ECE R24 normų.

EC 8-0/1269 norma taip pat nurodo variklio galią, įvertinus papildomos energijos suvartojimo poreikius, tačiau jie veikia be apkrovos. Ant variklio sumontuotas oro valytuvas, išmetamųjų dujų slopintuvas, skysčio aušintuvas ir ventiliatorius. Jei ventiliatoriaus pavaroje yra visko (klampio) mova, ji arba išjungiama visiškai, arba iki galo įjungiama.

EEC 80/1289 norma nurodo variklio galią su visu papildomos energijos poreikiu, išskyrus hidraulinius siurblius/variklius. Visko (klampio) movos buksavimo laipsnis mažiausias.

Pagal OECD 1-ojo ir 2-ojo kodo normas matuojama ne variklio alkūniniu velenu, o GTV perduodama galia. Savaime suprantama, ši galia įvertina visus papildomos energijos poreikius (išskyrus generatoriaus, kuris sukasi be apkrovos) ir nuostolius GTV pavaroje. Apribojimai taikomi tik oro slėgiui ir didžiausiai temperatūrai.

Vertinimas

Geriausiai variklio konstrukcijos tobulumą nurodo lyginamasis masės ir galios santykis. Kuo jis mažesnis, tuo variklis, o kartu ir mašina techniškai pažangesnė. Kuo didesnė variklio litrinė galia, tuo mažesnis šios galios jėgos agregato darbo tūris, gabaritai ir masė. Tai taip pat apibūdina variklyje naudotų technologijų ir montuojamų sistemų pažangumą. Iš principo didesnę litrinę galią nulemia didesnis slėgis cilindruose ir didesnis stūmoklių judėjimo greitis, t. y. faktoriai, apibūdinantys variklio šiluminį ir dinaminį režimus. Slėgį ir stūmoklio greičius galima didinti ribotai, nes padidinama mechaninė alkūninio-stūmoklinio mechanizmo apkrova (didėja slydimo guolių dilimas, alkūninis velenas gali paprasčiausiai sulūžti).

Maždaug iki 1 000 min-1 efektyvioji galia nevaizduojama, nes iki šios ribos variklio mechaniniai ir šiluminiai ­nuostoliai labai dideli. Didėjant sūkių dažniui, efektyvioji galia didėja tolygiai, kol pasiekia didžiausią vertę. Toliau didėjant alkūninio veleno sūkiams, ji pradeda mažėti. Taip nutinka dėl pablogėjusio cilindrų pripildymo ir labai padidėjusių mechaninių nuostolių.

Vertinant galią (vardinę ar didžiausią), reikia atsižvelgti ne tik į jos dydį, bet ir atkreipti dėmesį į pastovios galios aikštelę. Pastaroji reiškia, kad tam tikrame sūkių diapazone (moderniame variklyje 500–650 min-1 ribose), kuris yra ne mažesnis už darbinių sūkių diapazoną (1 600–2 000 min-1), variklio galia yra ne mažesnė už vardinę.

Antras svarbus vertinimo kriterijus yra norma, pagal kurią išmatuojama galia. Kaip jau aptarėme, skirtumai tarp pagal skirtingas normas išmatuotų variklio galingumų gali siekti 8 ir daugiau procentų. Šis skirtumas tuo didesnis, kuo didesnė variklio galia.

Trečiasis svarbus kriterijus – galios skaidymas į srautus ar jos sumavimas (John Deere, Case IH/New Holland, Landini, McCormic, Valtra). Dominuojant pagrindiniams darbams ir taikant intensyvaus žemės dirbimo technologijas, svarbiausia yra tik ta galia, kuri perduodama transmisijai. Nemažai gamintojų dalį papildomos galios perduoda GTV. Tai racionalus sprendimas, jei dirbama kombinuotais sėjos agregatais, frezomis. Efektyvu, jei traktorius naudojamas transporto darbams atlikti. Tačiau visais likusiais atvejais – ariant, skutant, sėjant (jei nenaudojamas GTV) ir nevažiuojant didesniais greičiais – galios padidėjimas neturi reikšmės. Reikia suprasti, gamintojui toks galios padidinimas naudingas dėl daugelio veiksnių: gaunami geresni lyginamieji rodikliai (masės ir galios, litrinės galios, pagaliau, lyginamasis kainos santykis su galios vienetu). Tačiau nereikia pamiršti, kad šis sprendimas taikomas tik vidutinės galios universalios paskirties traktoriuose, o jiems didinti galią per 180 AG neefektyvu. Pagrindinė priežastis – šios galios grupės traktoriai neturi pakankamos masės didesnei traukos galiai realizuoti.

Ketvirtas kriterijus yra susijęs su optimalia galios atsarga. Racionalu traktorių rinktis, atsižvelgiant į daugiausiai energijos reikalaujančio agregato poreikius. Pastarojo gamintojo pateiktą galią ar jos diapazoną reikia vertinti taip pat lanksčiai. Svarbiausia, nepamiršti įvertinti darbo sąlygų ir apimčių. Nepadarysite klaidos, jei traktorių pasirinksite su 10 proc. vardinės galios atsarga. Tai bus garantija, kad jis dirbs ekonomiškiau ir ilgiau.

Lentelėje pateikiame duomenis, kokiu režimu ir kiek laiko dirba žemės ūkio paskirties traktoriaus variklis.