Suskystintų naftos dujų naudojimas vidaus degimo varikliuose

30 rugpjūčio 2013, 0:23

Kiekvienas variklis su degimo žvakėmis gali veikti ir naudojant SND (SND – suskystintos naftos dujos). Būtent todėl, siekiant pakeisti naudojamo kuro rūšį, tereikia sumontuoti atitinkamą kuro tiekimo sistemą ir štai – jau galima piltis SND, kurių litro kaina daug mažesnė nei benzino. Tačiau tarp automobilistų sklando nemažai pasakojimų apie dujinių sistemų trūkumus, tad šiame straipsnyje mes pabandysime išsiaiškinti, kokios tos sistemos būna ir kokie yra jų rodikliai.

Pirmiesiems technikos istorijoje vidaus degimo varikliams, varomiems dujų, buvo naudojamos vadinamosios apšvietimo dujos (akmens anglies dujos), gaunamos distiliuojant sausą akmens anglį. Pagrindinė šių dujų sudedamoji dalis – tai anglies oksidas, todėl tokio kuro vertė, o kartu ir santykinis variklių galingumas buvo mažas. Per mažas tam, kad būtų galima galvoti apie praktinį dujinio kuro panaudojimą transporto priemonėse. Tačiau motorizacijos plėtra lėmė benzininio variklio sukūrimą, o tai yra būtent toks variklio tipas, kuriame yra sudeginamos dujos, gaunamos garinant benziną. Visgi dujų naudojimo vidaus degimo varikliuose pradžia siekia net XIX amžių ir tam reikalinga įranga niekuomet ne¬nustojo tobulėti. Štai keletas faktų iš istorijos:

• 1823 metais anglas Samuelis Braunas su¬konstravo dujomis varomą vidaus degimo variklį, kuris buvo varomas apšvietimo dujo¬mis;
• 1842 metais Anglijoje buvo patentuo¬tas dujomis varomas variklis, turintis kaitrinį uždegimą;
• 1860 metais Žanas Etienas Lenuaras gavo patentą serijinei vidaus degimo variklių, naudojančių apšvietimo dujas, gamybai;
• 1928 metais ant krovininio automobilio „FIAT 15 Ter“ bazės buvo išbandyta profeso¬riaus Naumovo sukurta dujinė-generatorinė įranga;
• 1935 metais Rusijoje įvyko dujinius varik¬lius turinčių ir dujinės-generatorinės sistemos varomų sunkvežimių ЗИС-5 ir ГАЗ-АА parodomasis važiavimas „Maskva–Leningradas– Maskva“. Kaip kurą šie automobiliai naudojo medieną, anglį ir durpes.

Benzininių variklių plėtra leido ypatingomis sąlygomis (pvz., kai nafta karo metais buvo deficitas) pritaikyti juos, kad būtų galima naudoti dujas, kurios buvo gaminamos miestų arba pramoninėse dujų gamyklose ir suslegia¬mos į balionus. Taip pat dujos mobiliuose dujų generatoriuose (vadinamosiose smalkinėse) buvo gaminamos ir iš anglies bei medienos. Tokiu kuru maitinamas variklis pasiekdavo vos 80 % galios, lyginant su varikliais, kuriuose naudojamas benzinas, o sunkūs balionai arba smalkių generatoriai mažindavo automobilių talpumą. Todėl, susinormalizavus pasaulinei kuro rinkai, tuoj pat buvo grįžtama prie benzino.

Šiuo metu natūralaus skysto kuro deficitas – jau nuolatinė problema, kuri vis didėja. Tačiau dėl to atsiradęs alternatyvių kuro rūšių poreikis neprivertė grįžti prie vadinamųjų apšvietimo dujų, nes šios dujos jau nebenaudojamos net pagal savo pirminę paskirtį. Buityje jas pakeitė balionuose tiekiamos SND – tai yra propano ir butano mišinys – bei SGD – dujotiekiais tiekiamos suspaustos gamtinės dujos. Pastaruoju metu abiejų šių degiųjų medžiagų dalis pasaulinėje automobilinio kuro rinkoje sparčiai didėja.

Privalumai ir trūkumai

SND (angliškai LPG – Liquiefied Petroleum Gas) gaunamos perdirbant naftą. Todėl jos gana ribotai gali išspręsti žaliavų trūkumo problemą. Jų paplitimas sumažina benzino poreikį, o tai leidžia didesnę perdirbamos naf¬tos dalį skirti dyzelinio kuro gamybai, nes kol kas dar nerastas geras dujų naudojimo dyzeliniuose varikliuose metodas. SGD (angliškai CNG – Compressed Natural Gas) išgaunamos iš kitų šaltinių, kurių atsargos turi patenkinti žmonijos poreikius kur kas ilgesnį laikotarpį nei naftos atsargos. Todėl motorizacijoje ši kuro rūšis turi daug didesnes perspektyvas.

Įsitikinimas, kad benzininiai varikliai, kuriuose naudojamos dujos, praranda galingumą, tikriausiai išliko dar iš jau minėtų apšvietimo dujų laikų, o taip pat iš ankstesnių kartų SND automobilinių sistemų naudojimo patirties. Tačiau, žvelgiant į šiuolaikines SND ir SGD siste¬mas, tokiam teiginiui pagrįsti nebeliko tvirtų argumentų. Šių abiejų tipų dujų energinė vertė yra net aukštesnė nei benzino ir dyzelinio kuro. Šiek tiek mažesnis (lyginant su tradicinėmis kuro rūšimis) yra jų stechiometrinių mišinių su oru išskiriamos šilumos kiekis, bet tai galima pastebėti tik tais atvejais, kai akseleratoriaus pedalas nuspaudžiamas „iki dugno“, tai yra varikliui išvystant maksimalią galią. Varikliuose, gamykliškai pritaikytuose dujoms, šis trūkumas nesunkiai kompensuojamas didinant suspaudimo laipsnį, o standartiniuose – atitinkamai ankstinant degimą, nes abiejų rūšių dujų oktaninis skaičius yra gerokai aukštesnis nei bet kurio benzino. Be to, naudojant dujas vietoj benzino, kur kas lengviau patenkinti galiojančių aplinkos apsaugos normų reikalavimus dėl teršalų kiekio išmetamosiose dujose.

Abiejų rūšių dujų sistemų trūkumas – mažesnis nuvažiuojamas atstumas bei sudėtingesnis degalų pildymas. SND atveju šią problemą sušvelnina sąlyginai platus degalinių tinklas, o SGD papildyti kol kas įmanoma tik kai kuriose valstybėse. Be to, dėl dujų pildymo jungčių įvairovės kartais gali kilti problemų dujų pildantis užsienio šalyse. Taip pat tam tikrų problemų kelia tai, kad sudegančios dujos išskiria daugiau šilumos nei benzinas, o tai gali pakenkti standartinių variklių vožtuvų galvutėms ir lizdams. Esant dviguboms maitinimo sistemoms (benzinas-dujos), kelios minutės užvesto variklio darbo su benzinu apsaugo šiuos elementus visą eksploatacijos parą, jei benzinas turi specialų priedą, skirtą senesnių konstrukcijų varikliams. Be to, SND naudojimas yra mažiau saugus nei skysto kuro naudojimas, nes jos yra sunkesnės už orą ir dėl sistemos nesandarumo gali kauptis dirbtuvių duobėse arba prie garažo grindų. SGD yra lengvesnės už orą ir su jomis tokių problemų nekyla.

Automobilinės SND sistemos

Automobilinių dujų sistemų konstrukcijas galima suskirstyti į penkias kartas:

I – sistemos su maišytuvais (vakuuminės arba didesnio slėgio), kuriose nėra elektroninio kuro mišinio sudėties reguliavimo, o tai reiškia, kad netinka automobiliams, turintiems katalizatorius išmetimo sistemose;

II – sistemos su maišytuvais (vakuuminės arba didesnio slėgio), kuriose yra elektroninis kuro mišinio sudėties reguliavimas;

III – daugiataškės sistemos, turinčios nuolatinį lakių dujų tiekimą;

IV – daugiataškės sistemos, turinčios sekvencinį lakių dujų tiekimą (vadinamasis dujų įpurškimas);

V – sekvencinio skystų dujų įpurškimo sistemos.

Bendri visų kartų sistemų elementai – tai dujų balionas ir elektrinis vožtuvas, kuris atidaromas ir dujos tiekiamos į likusią sistemos dalį. Dar vienas bendras elementas – reduktorius su garintuvu (sujungtas su variklio aušinimo sistema), tačiau jis buvo tik pirmose keturiose sistemų kartose, be to, kiekvienoje atliko skirtingas funkcijas.

Pirmos ir antros kartos sistemose su maišytuvais slėgis, esantis dujų balione, buvo redukuojamas iki kiek žemesnio (varikliuose su karbiuratoriais) arba kiek aukštesnio (varikliuose su taip vadinamuoju „mono“ įpurškimu) už atmosferinį slėgį. Garintuvas, šildomas variklio aušinimo skysčio, užtikrindavo dujų perėjimą iš skystos fazės į lakiąją. Todėl sistema galėjo veikti visu pajėgumu tik prieš tai pakaitinus variklį naudojant benziną, po to, naudojant papildomą elektrinį vožtuvą, benzino tiekimas buvo nutraukiamas. Maišytuve, sudarančiame trumpą įsiurbimo sistemos atkarpą, dujos buvo įsiurbiamos karbiuratoriaus sukurto vakuumo arba dėl savo slėgio patekdavo į įsiurbimo kolektorių. Abiem atvejais dujos sudarydavo mišinį su oru, kuris po to buvo įsiurbiamas į cilindrus. Pirmos kartos sistemose mišinio sudėtis keisdavosi proporcingai vakuumui, esančiam įsiurbimo sistemoje.

Antros kartos sistemose mišinio sudėtis buvo papildomai koreguojama elektromagnetiniu vožtuvu, kurį valdė variklio valdymo blokas, gaunantis signalą iš deguonies daviklio.

Trečios kartos sistemos buvo skirtos varikliams, kuriuose buvo gamykliškai įrengtos daugiataškio benzino įpurškimo sistemos, katalizatoriai ir deguonies davikliai išmetimo sistemose. Jų privalumas, lyginant su ankstesnių kartų sistemomis, yra tas, kad visų cilindrų vožtuvams nuolat tiekiamos dujos neturėjo galimybės užsilikti visoje įsiurbimo sistemoje ir sukelti nekontroliuojamus sprogimus, gadinančius žarnas, sklendes ir oro filtrus.

Ketvirtos kartos sistemose lakios dujos per elektromagnetinius vožtuvus, veikiančius taip pat kaip benzino purkštukai, atskiriems cilin¬drams buvo tiekiamos tik tam tikrais momentais. Esant pastoviam, reduktoriaus palaikomam slėgiui (aukštesniam nei ankstesnių kartų sistemose, siekiančiam apie 2 barus) dujų sistemoje, elektromagnetinių vožtuvų atidarymo laiko tarpas lemdavo įpurškiamų dujų kiekį. Šis procesas buvo valdomas elektroninio bloko, kuris naudojo tų pačių daviklių signalus, kuriuos naudojo benzino įpurškimą valdantis procesorius. Šių dviejų valdymo sistemų dubliavimas buvo neišvengiamas, siekiant optimizuoti skirtingų dujų ir benzino mišinių degimą. Maitinimas buvo keičiamas iš benzino į dujas ir atvirkščiai naudojant mygtuką arba automatiškai – pasibaigus pakaitinimo režimui bei pasibaigus dujoms automobilio balione. Po tam tikros elektroninės signalų modifikacijos naujesnėse šios kartos sistemų konstrukcijose buvo atsisakyta papildomo dujų valdymo bloko, išnaudojant benzino purkštukų valdymo impulsus. Dėl to variklio darbo parametrai abiejose maitinimo sistemose buvo labai panašūs visame apkrovų ir apsukų diapazone.

Penktos kartos dujų sistemos, lyginant su ankstesnėmis, veikia visiškai skirtingu principu. Dujos, tiekiamos iki įsiurbimo vožtuvų, yra skysto pavidalo. Čia jos išgarinamos – tai leidžia užvesti variklį nenaudojant benzino. Temperatūros kritimas, atsirandantis dėl dujų išsiplėtimo, veikia kaip interkuleris, o tai padidina variklio galią. Dujų purkštukai yra valdomi tų pačių valdymo bloko impulsų, kurie valdo benzino purkštukus. Nereikia keisti visų variklio valdymo funkcijų ir borto kompiuterio programos, atsakingos už variklio diagnostiką. Sistemoje vietoj reduktoriaus su garintuvu naudojamas siurblys ir slėgio reguliatorius. Siurblys padidina slėgį, lyginant su esančiu balione, o reguliatorius palaiko jį konstruktoriaus numatyto lygio.

SND naudojimas

Kadangi šios dujos pilamos į automobilį suslėgtos iki 200–250 barų slėgio, tai joms naudojami balionai turi būti kur kas patvaresni nei SND balionai. Jie paprastai gaminami iš plieno arba lengvesnių bei atsparesnių metalo mišinių. Plieniniai balionai sunkesni, o pagaminti iš metalų mišinio – brangesni. Nepaisant liaudyje sklandančių gandų, tai visiškai saugūs balionai. Juos tikrinant atliekami įvairūs bandymai, gerokai viršijantys numatytas tvirtumo ribas (pvz., bandymas slėgiu, dvigubai viršijančiu nominalų, pripildyto baliono numetimas iš didelio aukščio (eismo įvykio imitavimas), apšaudymas iš vidutinio kalibro šaunamojo ginklo, granatų sprogdinimas šalia balionų, ilgas laikymas ugnyje ir panašiai).

Šie balionai lengvuosiuose automobiliuose ir autobusuose tvirtinami bagažinėse arba ant stogų. Sunkvežimiuose balionai dažniausiai išdėstomi po kėbulu. Įranga, kuria tiekiamos dujos iš baliono iki variklio, susideda iš aukšto slėgio vamzdelių (polimerinių arba plieninių) ir dviejų reduktorių. Pirmasis reduktorius sumažina slėgį iki maždaug 3 barų. Prie variklio slėgis sumažinamas dar kartą iki maždaug 0,4 baro. Varikliuose su degimo žvakėmis naudojamos daugiataškio kuro do¬zavimo sistemos, panašios į SND naudojamas sistemas. Dažniausiai lygiagrečiai naudojamas benzinas. Dujų atsargų kiekis nustatomas naudojant manometrą.

Gerokai rimtesni pakeitimai atliekami dyzeliniuose varikliuose, kai jie dėl tam tikrų priežasčių yra pritaikomi maitinimui gamtinėmis dujomis. Siekiant juos pritaikyti, stipriai sumažinamas suspaudimo laipsnis bei sumontuojamos oro sklendės, elektroninės degimo ir kuro įpurškimo sistemos. Savaime suprantama, kad po šių pakeitimų variklis gali dirbti tik naudodamas dujas. Tačiau realybėje tokio tipo pakeitimai yra labai kontraversiški dėl visiškai paprastos priežasties: sudegant dujoms, įvairūs dyzelinio variklio elementai yra veikiami per didelių terminių apkrovų, mažinančių jų patvarumą. Būtent todėl tikslingiau autobusuose bei sunkvežimiuose tiesiog naudoti specialiai sukonstruotus, dujoms pritaikytus variklius, tai yra tiesiog didelius vidaus degimo variklius su uždegimo žvakėmis.

Pati transporto priemonių, kuriose naudojamos suskystintos gamtinės dujos, eksploatacija praktiškai nesiskiria nuo analogiškų transporto priemonių, kuriose naudojamas benzinas arba dyzelinis kuras, eksploatacijos. SGD naudojimo privalumai yra tokie:

• išmetamųjų dujų kenksmingumo atitikimas pagal visus kriterijus;
• geresnės darbo sąlygos, o tai reiškia ilgesnį variklio alyvų naudojimo laikotarpį;
• tylesnis (net 10 dB) variklio darbas;
• žema kaina, perskaičiavus į lygiaverčius visų kitų kuro rūšių kiekius.

Pagrindiniai trūkumai:

• mažas nuvažiuojamas atstumas;
• mažas degalinių kiekis ir nepatogus išdėstymas šalies teritorijoje.

Kalbant apie individualius vartotojus, šią problemą gali išspręsti JAV jau siūlomi namų ūkiui skirti kompresoriai, pripildantys lengvojo automobilio dujų balionus per kelias valandas (pvz., per naktį). Vokietijoje SGD degalinių, kuriomis naudojasi kelios dešimtys tūkstančių transporto priemonių vairuotojų, skaičius jau artėja prie tūkstančio. Tačiau SGD naudojimas daugiausia siejamas su visuomeniniu miesto transportu. Autobusai, varomi suskystintomis gamtinėmis dujomis, naudojami Paryžiuje, Nicoje, Briuselyje, Madride, Bazelyje, Ravenoje, Florencijoje, Maskvoje, Berlyne, Augsburge, Niurnberge ir kituose Europos miestuose.

 

 

Komentarai

Komentarų nėra. Būkite pirmas!