Kaip transporto degalai, gamtinės dujos naudojamos daugelyje šalių visame pasaulyje, ypač auga jų naudojimas automobiliams. Gamtinės dujos ne tik pakeičia importuojamus naftinius degalus, bet ir gerokai sumažina nuodingų teršalų emisijas, tokias kaip kietosios dalelės ir azoto oksidai (NOx). Tai – vienas svarbiausių gamtinių dujų naudojimo degalams privalumų.

Daugelis tyrimų rodo, kad, didelių sunkvežimių varikliams vietoj dyzelinių degalų veikiant gamtinėmis dujomis, NOx emisija gali sumažėti 50–60 proc., o kietųjų dalelių – 80–96 proc. Panašus rezultatas gali būti pasiektas gamtines dujas naudojant ir nedideliems sunkvežimiams ar vilkikams. Pastaruoju metu gamtinės dujos (metanas) vis dažniau naudojamos ir lengviesiems automobiliams, taip pat ne kelių transporto priemonėms (traktoriams ir kt.) varyti. Anglies dioksidas (CO₂) yra didžiausiu kiekiu vidaus degimo variklio gaminamos šiltnamio dujos. Kadangi pagrindinė gamtinių dujų sudedamoji dalis yra metanas (CH₄), kurio sudėtyje yra mažiau anglies ir daugiau vandenilio, negu skystuose transporto degaluose, tokiuose kaip benzinas, etanolis ir dyzeliniai degalai, gamtinių dujų varikliai gamina mažiau CO₂ tam pačiam sunaudotos energijos kiekiui.

Kitas pranašumas yra tai, kad metanas gali būti gaunamas iš atsinaujinančios biomasės. Šiuo atveju gaunamas uždaras CO₂ cirkuliacijos ratas ir padidinami ilgalaikiai resursai. Biometanas vis dažniau laikomas vienu iš svarbiausių ir tvariausių alternatyvių ateities degalų, jis gali būti pagamintas iš tokių žaliavų, kaip žemės ūkio atliekos, mėšlas, augalinė medžiaga ar maisto atliekos. Tai idealiai tinka žemės ūkio sričiai ir gali būti naudojamas žemės ūkio mašinoms varyti.

Biodujose gali būti 50–70 proc. metano, iki 2 proc. vandenilio ir iki 30 proc. anglies dvideginio. Pašalinus anglies dvideginį, šios dujos tampa gana homogeniškais degalais, kurių sudėtyje yra iki 80 proc. metano. Jų šilumingumas viršija 25 MJ/m³. Šilumingumo požiūriu svarbiausias biodujų komponentas yra metanas (CH₄). Kiti komponentai neįtraukiami į degimo procesą, bet jie netgi absorbuoja CH₄ degimo energiją.

Gamtinėmis dujomis veikiančių variklių pirminė emisija (CH, NOx) dėl paprastesnės metano molekulinės struktūros ir dėl dujinio būvio yra gerokai mažesnė, negu skystais degalais veikiančio variklio. Naudojant gamtines dujas, nelimituojamų kenksmingų medžiagų (aldehidai, aromatiniai angliavandeniliai ir t. t.), taip pat sieros dioksido ir dalelių išmetimo galima beveik visiškai išvengti.

Metanas – pagrindinis gamtinių dujų ir biodujų komponentas – yra stiprios šiltnamio dujos, jų šildymo potencialas maždaug 21 kartą didesnis už CO₂. Nenaudojant metanui pritaikyto oksidacinio katalizatoriaus, metano emisija iš gamtinėmis ar biodujomis varomo variklio atsveria bet kokį CO₂ sumažinimą. Iš tikrųjų perėjimas prie gamtinių dujų tam tikrais atvejais gali faktiškai padidinti šiltnamio dujų emisiją.

Dėl mažo dujų tankio saugojimas bake yra brangesnis negu benzino arba dyzelino. Paprastai gamtinės dujos ar biodujos saugomos dujinės būsenos suslėgtos iki 200 bar plieniniuose arba anglies pluošto balionuose. Tam pačiam energijos kiekiui reikia keturis kartus didesnės talpos negu skystiems degalams. Alternatyva – gamtines dujas -162 ^oC temperatūroje galima suskystinti. Tačiau suskystinimui reikia labai daug energijos, o pats bakas yra brangus.

Dirbti dujomis pritaikomi dyzeliniai varikliai

Dyzeliniai varikliai gali būti modifikuoti dirbti biodujomis dviem skirtingais būdais.

Variklis veikia dviejų rūšių degalais. Šiuo atveju tradicinė dyzelinių degalų įpurškimo sistema ir toliau tiekia tam tikrą kiekį dyzelinių degalų. Variklis įsiurbia ir suslegia oro bei biodujų mišinį, kuris ruošiamas įsiurbimo kolektoriuje. Mišinys uždegamas suspaudimo takto pabaigoje įpurškiamų ir užsiliepsnojusių dyzelinių degalų.

Variklis veikia vien tik dujomis. Šiuo atveju variklis veikia analogiškai kaip benzininis variklis. Įsiurbtą degųjį dujų ir oro mišinį suspaudimo takto pabaigoje uždega elektros kibirkštis.

Jau beveik dešimtmetis, kai „Valtra“ pradėjo ribotą gamtinėmis dujomis ir biodujomis veikiančių traktorių gamybą. Nuo tada traktoriai buvo vis tobulinami, o dabar pradėti naudoti naujausieji dviejų degalų rūšių modeliai.

Biodujų traktorių plėtra buvo pagrįsta vartotojų poreikiais, tikintis, kad traktoriai visuose darbuose, visomis sąlygomis ir su visa įranga veiks vienodai gerai tiek naudodami dyzelinius degalus, tiek ir dujas. Iš esmės operatorius neturėtų pastebėti, kokie degalai yra naudojami. Traktorių savininkai, degalams naudojantys savo ūkyje gaminamas biodujas, gali gerokai sumažinti išlaidas degalams.

„Valtra“ dviejų degalų traktoriuose standartinis AGCO Power dyzelinis variklis yra pritaikytas veikti dviejų rūšių degalais.

Dujiniams degalams tiksliai ir efektyviai įpurkšti naudojamas įsiurbimo kolektorius su integruotais elektronikos valdomais dujų purkštuvais ir dujų skirstymo vamzdis-akumuliatorius. Ši dujų įpurškimo sistema veikia lygiagrečiai standartinei dyzelino įpurškimo (common rail) sistemai. Kad atitiktų dabartines išmetamųjų teršalų normas, traktoriuje naudojama emisijos mažinimo sistema (įskaitant oksidacinį katalizatorių), efektyviai veikianti varikliui naudojant tiek dyzeliną, tiek ir dujinius degalus. Variklio valdymo ir emisijos mažinimo sistemos yra sujungtos į bendrą valdymo sistemą su elektroniniais valdymo blokais dviejų rūšių degalams ir viskas sujungta su traktoriaus valdymo sistema.

Dujų talpyklos gaminamos iš patvarios kompozicinės medžiagos, jos montuojamos žemiau kabinos grindų lygio, todėl nedaro įtakos traktoriaus masės centro padėčiai, nesumažina pravažumo ir netrukdo matomumui naudojant papildomą darbo įrangą, pvz., frontalinį krautuvą. Dujų bako talpa yra 192 litrai, o didžiausias užpildymo slėgis – 200 barų. Šio dujų kiekio pakanka dirbti maždaug keturias valandas, tačiau galima pritvirtinti papildomas talpyklas, pavyzdžiui, kaip papildomą svorį traktoriaus priekyje. Dyzelino bakas yra toks pat kaip ir įprastame traktoriuje. Variklis gali automatiškai pereiti prie dyzelinių degalų tuo atveju, jei nėra dujų.

Dviejų rūšių degalų traktoriai gali veikti tik dyzeliniais degalais arba dyzelino ir dujų mišiniu, pastaruoju atveju įpurškiamas nedidelis kiekis dyzelino, reikalingo dujų-oro mišiniui uždegti.

Pirmieji dujiniai „Valtra“ traktoriai naudojo fiksuotą 83 proc. dujų ir 17 proc. dyzelino mišinį, nauji modeliai dinamiškai keičia santykį, atsižvelgiant į darbo sąlygas. Pavyzdžiui, paleidus šaltą variklį, jis gali veikti tik dyzelinu, o esant didelei apkrovai gali būti naudojama iki 90 proc. dujų.

Darbai toliau tęsiami, siekiant mažinti azoto oksidų, kietųjų dalelių ir ypač metano emisiją. Kadangi nedidelis metano kiekis nesudega dujiniuose varikliuose, šiai problemai spręsti buvo sukurtos pažangios variklio valdymo sistemos ir įvairūs kataliziniai konverteriai.

Siekiant palengvinti dujiniais degalais veikiančių traktorių serijinę gamybą ir aprūpinimą atsarginėmis dalimis, visos sudedamosios dalys buvo standartizuotos ir dokumentuotos. Pavyzdžiui, dujų talpyklos ir jų rėmai pristatomi į surinkimo vietą kaip vienas paketas, išmetamųjų dujų vamzdis buvo iš naujo suprojektuotas specialiai biodujų traktoriams, o metano katalizinis konverteris pakeistas taip, kad tilptų tradiciniame DOC (dyzelinių variklių oksidacinis katalizatorius) katalizatoriuje.

Metano naudojimą traktoriams planuoja ir „New Holland“ koncernas. Jo verslo partneris „Fiat Powertrain Technologies“ (FTP) jau daugelį metų gamina gamtinių dujų variklius sunkvežimiams.

„New Holland“ neseniai pristatė koncepcinį traktorių, varomą metanu arba suslėgtomis gamtinėmis dujomis, kurio gamybą planuojama pradėti 2020 m. Traktorius su šešių cilindrų metanu varomu varikliu, kurio galia 180 AG (134 kW), turėtų sutaupyti iki 30 proc. eksploatacinių sąnaudų, išlaikant dyzelinio variklio galios rodiklius ir ilgaamžiškumą.

Kitoks nei dyzelinis pirmtakas

Variklio prototipas gerokai skiriasi nuo jo dyzelinio pirmtako. Naujoji cilindrų galvutė ir kolektoriai buvo pritaikyti kibirkštiniam uždegimui. Siekiant užtikrinti didesnį patikimumą, jai gaminti panaudotos aukštai temperatūrai atsparios medžiagos. Turbokompresorius turi aušinimo skysčiu sistemą, o pripūtimo slėgį valdo elektrinis praleidimo vožtuvas. Buvo sukurti nauji daugiataškio dujų įpurškimo purkštuvai, lambda ir detonacijos jutikliai.

Elektroninė valdymo sistema taip pat yra nauja. Pažangus variklio valdymo blokas valdo stechiometrinį oro-degalų santykį ir kontroliuoja detonaciją. Patentuota programinė įranga tiksliai valdo stechiometrinį degimą ties detonacijos riba.

Metano naudojimas taip pat supaprastina deginių apdorojimo išmetimo trakte sprendimus, palyginti su dyzeliniu varikliu. Deginių apdorojimo sistema atitinka Stage V etapo reikalavimus. Jai nereikalinga selektyvios katalizinės redukcijos (SCR) sistema, būtina dyzeliniams varikliams degant susidariusiems azoto oksidams (NOx) redukuoti. Tad nereikia tokių komponentų, kaip Adblue skysčio bakas, vamzdžiai ir dozavimo modulis. Bendras deginių apdorojimo sistemos tūris sumažėjo maždaug 90 proc., palyginti su dyzeliniu varikliu.

Siekiant sumažinti variklio vibracijas, buvo pasirinkta šešių cilindrų variklio konstrukcija. Kartu su stechiometriniam degimui būdinga maža triukšmo emisija, ji prisideda prie triukšmo lygio mažinimo bei didina variklio eigos tolygumą.

Kaip teigia gamintojas, triukšmo lygis yra 3 dBA mažesnis negu dyzelinio variklio. Tai atrodo ne taip ir daug, bet važiuojant sumažina triukšmo lygį 50 proc. Tai svarbu keliuose, esančiuose šalia namų, arba kai traktorius naudojamas arti žemės ūkio gyvūnų.

Traktoriaus koncepcijai buvo pertvarkytas ne tik variklis. Dujų talpyklos, pagamintos iš kompozicinių medžiagų sluoksnių, turi vamzdinę formą, kuri sklandžiai priderinta prie rėmo konstrukcijos ir labiau tinka nei cilindrinis balionas. Gamintojo teigimu, jas taip pat lengva užpildyti, kaip ir degalų baką dyzelinu, ir tai užtrunka tiek pat laiko.

Gamintojai pastebi, kad didelė problema yra degalų kokybė. Jai buvo skiriamas didelis dėmesys, kuriant variklių degimo proceso valdymo sistemas. Gaminant dujas bioreaktoriuose, dujų sudėčiai didelės įtakos turi naudojamos žaliavos. Iš skirtingų šaltinių išgautų gamtinių dujų sudėtis taip pat skiriasi. Prie variklio įrengta elektroninė kontrolės sistema analizuoja dujų kokybę ir derina variklio darbą, kad būtų optimizuoti jo darbo rodikliai.

Sukurti gamtinių dujų varikliai, be abejo, gali būti panaudoti ne tik traktoriuose, bet ir kitoje žemės ūkio technikoje.