Klimato kaita ir su tuo susiję negatyvūs aplinkos pokyčiai kelia naujus iššūkius dyzelinių variklių gamintojams, kurie juos priima nenoriai. Ne todėl, kad šis uždavinys jiems būtų nepakeliamas. Tiesiog kova už aplinkos išsaugojimą kaskart reikalauja vis didesnių išlaidų. Gamintojai jau pasirengę gaminti tarpinius Etapo III B/Tier 4 emisijų reikalavimus atitinkančius variklius. Bet ar pasirengę mes?

Savaeigių žemės ūkio mašinų nuo 37 kW/50 AG iki 75 kW/102 AG pajėgumo dyzeliniai varikliai nuo šių metų jau atitinka Etapo III A/Tier 3 emisijų reikalavimus. Tai paskutinė Etapo III A fazė. Kiti Etapo IV/Tier 4 emisijų reikalavimai pradėti įgyvendinti jau šiais metais. Tiesa, jie privalomi tik iki 37 kW/50 AG pajėgumo dyzeliniams varik­liams. Tuo tarpu didesnės galios varikliams numatyta tarpinė fazė – Etapas III B/Tier 4, kurios reikalavimai didelės galios (130 kW/177 AG–560 kW/762 AG) varikliams įsigalios ne nuo 2014, o nuo 2011 metų.

Dabartiniai Etapo III A (ES) arba Tier 3 (JAV) emisijų reikalavimus atitinkantys dyzeliniai varikliai į aplinką išmeta iki 65 proc. mažiau kietųjų dalelių, t. y. suodžių (PM), ir iki 60 proc. mažiau azoto oksidų (NOx), palyginti su 1999–2004 m. galiojusiais Etapo I/Tier 1 reikalavimais. Tarpiniai Etapo III B/Tier 4 emisijų reikalavimai, kuriuos svarbiausioji dalis (t. y. nuo 130 kW/177 AG) žemės ūkio savaeigėse mašinose naudojamų dyzelinių variklių atitiks nuo 2011 m., iš jų pareikalaus dar 10 kartų mažesnės suodžių ir 2 kartus mažesnės azoto oksidų emisijos. O iki 2014 m. NOx emisija privalės būti sumažinta dar 5 kartus.

Nors visiškai aplinkos neteršiantis jėgos agregatas ir toliau lieka tik vizija, praėjusiais metais vykusioje tarptautinėje žemės ūkio mašinų ir technologijų parodoje „Agritechnica 2007“ ši tema buvo tarp dominuojančių. Kiekvienoje iš trijų svarbiausių variklių vystymosi krypčių buvo pateikta po keletą inovacijų.

Biodyzelino nauda

Biodyzelino naudojimo plėtrą remia kompanijos „Cummins“, „Deutz AG“ (Deutz-Fahr Agrotron Natural Power ir Fendt 820 Variogreentec), FPT (FIAT Powertrain Technologies), „JDPS“ (John Deere Power Systems), „SisuDiesel“ ir kitos.

Biodegalų (biodyzelino, bioetanolio ir gamtinių dujų) naudojimas skatinamas ne tik geopolitinių interesų plotmėje, siekiant ekonominio suvereniteto nuo naftą eksportuojančių šalių. Pritaikyti jėgos agregatus naujam „ekologiškam racionui“ verčia ir ES direktyvos, ir Kioto protokolo reikalavimai. Taigi įrengti biodegalais varomus variklius savaeigėse mašinose – neišvengiama būtinybė.

Nauji savaeigėse žemės ūkio mašinose montuojami dyzeliniai varikliai sertifikuojami naudoti biodyzeliną B20. Jei degalai atitinka ES ir JAV priimtus kokybės rodiklius, visuose moderniuose varik­liuose galima naudoti ir gryną biodyzeliną, t. y. B100.

Dyzeliniai varikliai gali būti varomi rapsų metilo esteriu, tik jei degalų kokybės rodikliai atitinka ES patvirtintą standartą EN 14214 arba jo atitikmenį JAV – ASTM D 6751.

Nors naudojant B100 galios ir sukimo momentas gali sumažėti iki 12 proc., paprastai variklių gamintojai nurodo tik nedidelį svarbiausių efektyviųjų variklio parametrų pokytį arba apie tai iš viso neužsimena. Reikia įvertinti, kad dėl mažesnio gryno biodyzelino šilumingumo neišvengiami galios nuostoliai ir iki 18 proc. didesnės degalų sąnaudos.

Vartotojui svarbiausia, kad B100 markės degalus gali naudoti ir standartiniai, savaeigėse mašinose ar stacionariuose elektros generatoriuose montuojami varikliai. Tačiau reikia atkreipti dėmesį, kad kai kurios iš plastiko ir gumos pagamintos detalės turi būti pakeistos atsparesnėmis. Be to, eksploatacines medžiagas (alyvą, filtrus) teks keisti du kartus dažniau.

Ekologija be filtrų ir katalizatorių neįsivaizduojama

Degimo metu iš dyzelinio variklio į aplinką patenka ir nekenksmingų, ir labai pavojingų medžiagų. Pastarųjų kiekis yra ribojamas teisės aktais – minėtomis emisijų normomis.

Nors azoto oksidai (NOx), anglies monoksidas arba smalkės (CO), įvairūs sieros oksidai (SOx), nesudegę angliavandeniliai (CH) ir suodžiai (PM) sudaro tik 0,3 proc. visų variklio emisijų, tačiau sumažinti pastarąsias medžiagas kaskart prireikia vis daugiau ir brangesnių priemonių, pavyzdžiui, įrengti karbamido vandens tirpalą AdBlue naudojantį selektyvinį katalitinio redukavimo katalizatorių SCR, standartinius DPF ar regeneracinius suodžių filtrus.

Selektyvinis katalitinio redukavimo katalizatorius SCR (Selective Catalytic Reduction) yra viena efektyviausių priemonių, sumažinančių žmogaus sveikatai pavojingų azoto oksidų (NOx) emisiją. Apie 80–85 proc. išmetamosiose dujose esančių azoto oksidų katalizatoriuje paverčiama į sveikatai nepavojingą azotą (N2) ir vandenį (H2O).

Tačiau SCR sistema turi didelį trūkumą – efektyvus katalizės procesas neįmanomas be karbamido vandens tirpalo, techniškai vadinamo AdBlue, o kalbant paprastai – šlapalo. Pastarasis tiksliomis porcijomis įpurškiamas į deginių srautą priešais SCR katalizatorių ir tiesiogiai dalyvauja reakcijoje su azoto oksidais. Blogiausia tai, kad AdBlue nėra dalijamas nemokamai. Nors jo sąnaudos darbo metu nedidelės, jos padidina bendruosius dyzelinio variklio eksploatacijos kaštus. Tiesa, kai kurie gamintojai (pvz., „SisuDiesel“) informuoja, kad AdBlue tirpalo sąnaudos neviršija 3 proc. nuo visų degalų sąnaudų, o pačio tirpalo kaina yra mažesnė už dyzelino. Šį trūkumą turėtų kompensuoti labai ilgi (priklausomai nuo darbo sąlygų) iki 1 000 mval. varik­lio alyvos keitimo intervalai.

Vienas iš selektyvinio katalitinio redu­kavimo katalizatoriaus SCR pavyzdžių yra kompanijos „SisuDiesel“ naujiena – ne automobilinės paskirties turbodyzelinis variklis Citius SCR. Tai parodoje „Agritechnica 2005“ debiutavusio variklio su didelio slėgio degalų įpurškimo sistema common rail ir 4 vožtuvais kiekviename cilindre modifikacija.

Citius SCR variklis atitinka Etapo III A/Tier 3 emisijos reikalavimus. Patobulinus variklio valdymo procesoriaus SisuTronic  darbą, naujojo variklio eksploatacijos sąnaudos apie 10 proc. mažesnės, lyginant su analogais, kuriuose ekologiniai parametrai pasiekti ekonomiškumo sąskaita. Dėl naujo variklio valdymo protokolo kompanijos „SisuDiesel“ specialistams pavyko pagerinti jėgos agregato galios ir sukimo momento charakteristikas. Į AdBlue baką pilamo tirpalo sudėtį nustato specialus jutiklis.

Vienas iš AdBlue technologijos trūkumų – aukšta tirpalo kristalizacijos temperatūra. Tai ypač svarbu šaltesnio klimato šalims, nes vos spustelėjus šaltukui (-11 oC), įpurkšti karbamido vandens tirpalo tampa neįmanoma.

Sumažinus degalų sąnaudas, pavyko gana stipriai sumažinti ir šiltnamio efekto dujų (CO2) emisiją. Į aplinką Citius SCR variklis jų išmeta tik ketvirtadalį to kiekio, kuris numatytas Etapo III A emisijos reikalavimuose. Angliavandenilių (HC) ir smalkių (CO) koncentracijos išmetamosiose dujose taip pat mažesnės, negu patvirtinta Etapo III A emisijos reikalavimuose.

Optimizavus degimo procesą, variklio šiluminius nuostolius pavyko sumažinti 15 proc. Kuo mažesnis šilumos išskyrimas į aplinką, tuo lengvesnę ir efektyvesnę aušinimo sistemą galima panaudoti. Pavyzdžiui, galima įrengti mažesnį pasipriešinimą turintį ne tokio didelio skersmens ventiliatorių. Jo pavarai, kai variklis dirba apkrovos režime, sunaudojama iki 5 proc. galios. Apskritai, apie trečdalis degaluose esančios energijos virsta šilumos nuostoliais. Jos perteklius per aušinimo sistemą pašalinamas į aplinką.

Selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatoriaus SCR resursas numatytas visam variklio eksploatacijos laikui.

Tikėtina, kad naujos kartos Citius SCR varikliai gali būti pasiūlyti šiais metais debiutuosiančiuose didelės galios Valtra S serijos traktoriuose. Kita, dar labiau tikėtina alternatyva – gerokai vėliau laukiama atnaujinta vidutinės galios Valtra T serija arba savaeigės miško ruošos mašinos.

Siekiant sumažinti karbamido vandens tirpalo AdBlue priklausomybę nuo temperatūros, tirpalą galima pašildyti. Šią funkciją valdo SCR sistemos valdiklis, įjungdamas specialų elektromagnetinį vožtuvą. Pastarasis įkaitusį variklio aušinimo skystį į aušintuvą nukreipia per AdBlue tirpalo baką.

Dar vieno variklių gamybos autoriteto kompanijos „Deutz AG“ specialistai teigia, kad didelis potencialas, mažinant kenksmingų medžiagų emisiją, glūdi ir dyzelinio variklio degiojo mišinio ruošimo procese. Siekdama geresnių rezultatų, įmonė kuria valdomą emisijos mažinimo technologiją DVERT (Deutz Variable Emission Reduction Technology).

DVERT technologijos esmė – dar labiau optimizuoti degiojo mišinio ruošimą ir nukenksminti išmetamąsias dujas. Tai galima atlikti elektroninėmis sistemomis. Vien Bosch variklio elektroninis valdymo blokas gali kontroliuoti 1 000 ir daugiau variklio funkcijų. Tai anaiptol ne riba. Jų gali būti tiek, kiek reikia.

Beje, tyrimams sugaišusi 5 metus kompanija „Scania“ pirmoji pristatė ir jau serijomis pradėjo gaminti Euro 5 emisijos reikalavimus atitinkančius 5 ir 6 cl. turbodyzelinius automobilių variklius be selektyvinio katalitinio redukavimo katalizatoriaus SCR, kuriam funkcionuoti reikia gana brangaus karbamido vandens tirpalo AdBlue. Kompanijos specialistai apsiribojo išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema EGR. Parodoje „Agritechnica“ kompanijos „Scania“ specialistai prasitarė, kad jei patikimumu ir vienais didžiausių tarp Europos variklių gamintojų resursais garsėjantys kompanijos jėgos agregatai sudomins savaeigių žemės ūkio mašinų gamintojus, šią technologiją pasiūlys ir jiems.

Suodžių filtrai DPF (Diesel Particulate Filter) gali būti naudojami visuose ž. ū. paskirties dyzeliniuose varikliuose. Tuo tarpu regeneracinius filtrus pradeda taikyti vis daugiau gamintojų, tačiau juos galima naudoti ne visuose ž. ū. paskirties dyzeliniuose varikliuose.

Svarią poziciją, siekiant atitikti Etapo III A/Tier 3 emisijų reikalavimus, šiuolaikiniuose savaeigių žemės ūkio mašinų varikliuose užima išorinės arba vidinės išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemos EGR (Exhaust Gas Recirculation). Jos naudojamos praktiškai visuose moderniuose Etapo III A/Tier 3 emisijų reikalavimus atitinkančiuose varikliuose. Pavyzdžiui, John Deere Power Systems (JDPS) išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema su aušintuvu įrengiama PowerTech Plus varikliuose, kurie montuojami į traktorius, savaeigius kombainus ir purkštuvus.

Išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema su aušintuvu leidžia sumažinti išmetamųjų dujų temperatūrą, kartu ir azoto oksidų (NOx) koncentraciją. Pasak technikos specialistų, išskirti galima tik tai, kad EGR sistemos su variklio išorėje įrengtais aušintuvais yra efektyvesnės už vidines sistemas. Beje, išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemą automobilių gamintojai pradėjo taikyti dar praėjusio šimtmečio septintojo dešimtmečio pabaigoje.

***
Svarbiausios variklių tobulinimo kryptys

• Ekologinių parametrų gerinimas: degiojo mišinio ruošimo proceso tobulinimas; išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistemos EGR taikymas; selektyviniai katalitinio redukavimo katalizatoriai SCR, naudojantys karbamido vandens tirpalą AdBlue; standartiniai DPF ir regeneraciniai suodžių filtrai; variklių pritaikymas dirbti su didesnės koncentracijos biodyzelino ir mineralinio dyzelino mišiniais (nuo B20 iki B100).
• Efektyviųjų parametrų gerinimas: degiojo mišinio ruošimo proceso tobulinimas; kintamos geometrijos turbokompresorių naudojimas; turbokompaundinių variklių įrengimas.
• Naujosios technologijos: hibridiniai ir turbokompaundiniai varikliai.