Alkuninio veleno sukimosi dažnis yra vienas iš svarbiausių vidaus degimo variklio darbo parametrų, tiesiogiai įtakojantis jo efektyvumą, galimybes ir kenksmingų išmetamųjų dujų kiekį. Šiame straipsnyje nagrinėsime, kaip mažas alkūninio veleno sukimosi dažnis, ypač dirbant su alternatyviais degalais, tokiais kaip skalūnai, veikia variklio veikimo rodiklius, degalų efektyvumą ir aplinkos taršą.
Skalūno kuro panaudojimas ir jo poveikis variklio efektyvumui
Skalūnų kuru varomo variklio baziniai atskaitos parametrai buvo tirti siekiant įvertinti jo veikimo ypatumus, lyginant su tradiciniais dyzeliniais degalais. Variklio apkrovą padidinus nuo vidutinės iki didžiausios, skalūnų kuru maitinamo variklio efektyvusis naudingumo koeficientas (toliau - ENK) palaipsniui didėja iki maksimalios 0,33 reikšmės.
Esant tam pačiam sūkių diapazonui (n = 1 400-2 000 min-1), variklio apkrovai sumažėjus nuo normalios iki nedidelės (pe£0,4 MPa), ENK mažėja, mažėjant apkrovai, daug greičiau negu dirbant tradiciniais dyzeliniais degalais. Išimtis tik maksimalūs alkūninio veleno sūkiai 2 200 min-1: variklio ENK visoje mažų apkrovų srityje išlieka gerokai aukštesniame lygyje.
Varikliui dirbant skalūnų kuru, šiluminės energijos konversijos efektyvumas yra mažesnis, nes klampių degalų išpurškimo ir susmulkinimo kokybė blogesnė. Be to, tai susiję su degalų ir oro degiojo mišinio sudėties pokyčiais bei su skalūnų chemine sandara susijusiais degimo ypatumais. Kaip matyti grafikuose, esant vienodai apkrovai, didesnį tankį ir mažesnį H/C santykį bei šilumingumą turintis skalūnų kuras nepajėgia užtikrinti dyzeliniams degalams būdingo šiluminės konversijos lygio.
Alternatyvūs degalai su panašiomis į skalūnų kurą savybėmis turi mažesnį cetaninį skaičių ir ilgesnį savaiminio užsiliepsnojimo trukmės periodą.
NOx emisijos ypatumai
Varikliui dirbant dyzeliniais degalais, kenksmingų aplinkai NOx emisija plačiame sūkių kitimo diapazone palaipsniui didėja, didėjant apkrovai, pasiekdama viršutiniame lygyje maksimalias 2 025-2 166 ppm reikšmes. Skirtingai dyzeliniams degalams, variklį išbandant skalūnų kuru, NOx emisija minėtame sūkių diapazone taip pat didėja, didėjant apkrovai, tačiau, esant jos vidutinei pe = 0,3 MPa reikšmei, išlieka atitinkamai 62, 72 ir 17 proc. mažesnė.
Pastebėta, kad kuo didesnis alkūninio veleno sukimosi dažnis, tuo pasiekiamas didesnis dujų slėgis ir temperatūra cilindre. Dėl to, dirbant vidutine apkrova skirtingos cheminės struktūros degalais, gaunami mažesni NOx emisijos skirtumai. Azoto oksidai NO susiformuoja už liepsnos fronto ribos aukštos temperatūros (per 2 000 K) sudegusių dujų aplinkoje chemiškai jungiantis azoto ir deguonies atomams bei molekulėms. Kuo aukštesnė sudegusių dujų temperatūra cilindre, tuo didesnės NO emisijos galima tikėtis.
Nors azoto oksidų jungimosi ir skilimo reakcijos nėra tiesiogiai susietos su alternatyvaus kuro degimu, tačiau šių teršalų kiekis deginiuose labai priklauso nuo dujų maksimalios temperatūros cilindre ir degimo proceso ypatumų. Nesunku paaiškinti, kodėl NOx emisija taip sparčiai mažėja, mažėjant variklio sukimosi dažniui ir išorinei apkrovai. Kaip jau minėta, varikliui dirbant šioje išskirtinėje apkrovos srityje, skalūnų kuro degimo efektyvumas yra labai mažas, todėl sumažėja maksimali ciklo temperatūra ir savaime išnyksta sąlygos, reikalingos normaliam NOx kiekiui susiformuoti.
Nepaisant ganėtinai lėto NOx kiekio didėjimo pradinėje apkrovos stadijoje, vėliau azoto oksidų koncentracija deginiuose, didėjant apkrovai, sparčiai didėja. Padidėjus cikliniam įpurškiamų skalūnų kiekiui, didėja dujų maksimalus slėgis cilindre ir jų temperatūra. Variklio apkrovai pasiekus pe ³ 0,45-0,50 MPa ribą, skalūnų kuro išskiriama NOx emisija viršija bazinį dyzelinių degalų emisijos lygį ir sparčiai didėja toliau.
Palyginti su baziniu dyzelinių degalų emisijos lygiu, skalūnų kuru veikiančio dyzelinio variklio NOx emisija maksimalaus sukimo momento ir vardinės galios režimuose yra atitinkamai 21,8 ir 27,6 proc. didesnė. Maksimali skalūnų kuro NOx koncentracija deginiuose pasiekia 2 740-2 820 ppm ribą ir praktiškai nepriklauso nuo variklio sukimosi dažnio. Didesnę NOx emisiją, esant maksimaliai variklio apkrovai, galima paaiškinti didesniu azoto kiekiu skalūnų kuro sudėtyje, kuris, veikiamas aukštos dujų temperatūros, konvertuoja į NO. Taigi bendras NOx emisijos kiekis, degant alternatyviam kurui, priklauso ne tik nuo maksimalios dujų temperatūros cilindre, bet ir nuo kuro rūšies bei jo cheminės sudėties.
Remiantis amerikiečių mokslininkų tyrimais, NO kiekis, išsiskiriantis degant azotu bei deguonimi prisodrintiems degalams, yra labai jautrus oro ir degalų mišinio sudėčiai ir beveik nepriklauso nuo dujų temperatūros cilindre. Azoto oksidų emisija tik šiek tiek priklauso nuo alkūninio veleno sukimosi dažnio ir su juo tiesiogiai susijusiu dujų sūkuriavimo intensyvumu cilindre.
Panašias NOx kitimo tendencijas patvirtina ir anksčiau atlikti dyzelinio variklio tyrimai. Maksimali NO2 koncentracija bendrame azoto oksidų emisijos fone, esant nedidelei apkrovai, siekia maždaug 21 proc., tačiau, varikliui dirbant vidutine ir maksimalia apkrova, ji sumažėja iki minimalaus 10 proc. lygio ir praktiškai nepriklauso nuo variklio sukimosi dažnio bei degalų cheminės sudėties.
CO ir suodžių emisija
Remiantis rezultatų analize, variklio apkrovai padidėjus iki tam tikros pe³0,6 MPa reikšmės, CO emisija abiejų tiriamųjų degalų atveju palaipsniui pradeda kilti. Taip atsitinka dėl to, kad didelės įpurkštų degalų porcijos nevisiškai sudega, nes kai kuriose degimo kameros vietose tiesiog pritrūksta deguonies. Nustatyta didelė CO koncentracija deginiuose derinasi su blogu skalūnų kuro degimo efektyvumu, mažesne dujų temperatūra cilindre ir nedidele NOx emisija šiame variklio darbo režime.
Variklio sukimosi greičiui padidėjus iki vardinių 2 200 min-1 sūkių, skalūnų kuro išskiriama CO emisija netgi mažos apkrovos srityje tampa gerokai mažesnė, nors ir toliau išlieka maždaug dvigubai didesnė, palyginti su tradicinių degalų emisija. Manoma, kad mažesnė anglies viendeginio emisija variklio vardiniame režime gaunama dėl padidėjusio įpurškimo slėgio ir geresnio skalūnų kuro susmulkinimo. Paskutinis, bet ne pats menkiausias veiksnys, galintis turėti įtakos nedidelių skalūnų kuro porcijų išskiriamos CO emisijos mažinimui, yra didesnė dujų temperatūra cilindre, kuri pasiekiama, esant didesniam sukimosi dažniui.
Dyzelinio variklio išmetamų dujų optinis skaidrumas labai priklauso nuo suodžių ir kitų nevisiškai sudegusio kuro dalelių kiekio deginiuose. Tačiau, kaip rodo pastarieji tyrimai, jeigu dėl blogo skalūnų kuro degimo dujų temperatūra cilindre sumažėja iki kritinės ribos, daugybė nesudegusio kuro dalelių balkšvo aerozolio pavidalu pasklinda su išmetamais į aplinką deginiais, didindamos bendrą optinį deginių foną.
Esant vienodoms bandymų sąlygoms, su deginiais išmetamų suodžių dalelių kiekis labai priklauso nuo santykinio anglies kiekio degalų sudėtyje, kurio skalūnų kure yra 13 proc. daugiau. Tačiau skalūnų kuro sudėtyje yra gerokai didesnis ir deguonies kiekis, kuris skatina dideles kuro porcijas visiškai sudegti, ypač lokaliai pariebinto degiojo mišinio srityse.
Dyzeliniam varikliui dirbant vardiniu sukimosi dažniu ir maža bei vidutine apkrova, skalūnų kuro išskiriamas deginių dūmingumas neviršija 10-15 proc. ir yra dyzeliniams degalams būdingame dūmingumo lygyje. Variklio apkrovai padidėjus iki maksimalios, deginių dūmingumas palaipsniui didėja, tačiau išlieka maždaug 30-35 proc. mažesnis negu dirbant tradiciniais dyzeliniais degalais. Tokia tendencija pastebima visame variklio sūkių kitimo diapazone.
Mažesnis variklio deginių dūmingumas gaunamas, nepaisant santykinai didesnio anglies kiekio skalūnų kure ir 10 kartų didesnio policiklinių aromatinių angliavandenilių kiekio jo sudėtyje. Tai iš esmės prieštarauja daugelio mokslininkų tradiciniams degalams taikytinai nuomonei, kad būtent aromatiniai angliavandeniliai labiausiai skatina deginių dūmingumą. Šį faktą galima paaiškinti tuo, kad, varikliui dirbant maksimalia apkrova, didelės įpurkšto skalūnų kuro porcijos geriau sudega, nes lokalinėse riebaus degiojo mišinio oksidacijos reakcijose papildomai dalyvauja skalūnų cheminėje struktūroje esantis deguonis. Deguonies skalūnų kure, kaip jau minėjome, yra gerokai (kartu su azotu iki 7-8 proc.) daugiau negu įprastiniuose dyzeliniuose degaluose.
Apie skalūnų kuro didelių porcijų gerą sudegimą cilindre, įskaitant ir aromatinius angliavandenilius, netiesiogiai liudija šviesesnė deginių spalva ir to paties dydžio arba 5-15oC mažesnė jų temperatūra, kuri tiesiogiai matuota išmetimo kolektoriuje.
Variklio apkrovai sumažėjus iki pe = 0,4 MPa, deginių dūmingumas, esant sumažintam n = 1 800-1 600 min-1 sukimosi dažniui, palaipsniui ir vėl pradeda kilti. Kai dyzeliniais degalais maitinamas traktorius dirba maksimalia apkrova, paprastai iš kamino veržiasi tamsiai juodi dūmai. Degant skalūnų kurui, mažų sūkių ir nedidelės apkrovos srityje, išmetamos dujos įgauna balkšvą atspalvį. Manoma, kad kartu su deginiais aplinkos ore pasklinda nesudegusio kuro garai ir netgi smulkūs jo lašeliai. Šis fenomenas liudija apie visiškai skirtingą skalūnų dūmų kilmę nedidelių apkrovų srityje. Optinį skaidrumą mažinantys balti garai iš esmės sudaryti iš nevisiškai sudegusių skalūnų aerozolio.
Variklio apkrovai ir sukimosi dažniui sumažėjus iki kritinės ribos, mažos skalūnų porcijos degimas žemos dujų temperatūros aplinkoje tiek pablogėja, kad pakankamai dideli nesudegusio kuro lašeliai filtre-nusodintuve atskiriami kartu su vandens kondensatu. Dėl šios priežasties dūmingumo matavimo prietaisas Bosh negali daugiau jų aptikti.
Varikliui dirbant dyzeliniais degalais, deginių dūmingumas, kintant apkrovai, didėja palaipsniui. Šiuo atveju alkūninio veleno sūkių dažnis neturi didesnės įtakos dūmingumo kreivės kitimui. Labiau intensyvus deginių dūmingumas buvo pastebėtas tik esant vardiniams variklio sūkiams ir maksimaliai apkrovai.
Nesudegusių angliavandenilių (CH) ir sieros dvideginio (SO2) emisija
Panaudojus skalūnų kurą, nesudegusių angliavandenilių kiekis deginiuose išlieka labai mažas ir neviršija 10-25 ppm, t.y. dyzeliniam varikliui būdingo CH emisijos lygio. Todėl sunku nustatyti apčiuopiamas CH emisijos kitimo tendencijas, kintant variklio sukimosi dažniui ar apkrovai, kadangi gauti matavimų duomenys banguoja išilgai abscisių ašies, išskyrus nebent šiek tiek didesnę skalūnų kuro CH emisiją mažų sūkių ir nedidelės apkrovos srityje. Šiame režime CH emisija turi tendenciją didėti mažėjant apkrovai dėl, kaip jau minėjome, nestabilaus variklio darbo.
Nepaisant 32 kartus didesnio sieros kiekio skalūnų kure, sieros dvideginio kiekis deginiuose kito, kintant variklio sukimosi dažniui ir apkrovai, palyginti nedidelėse 13 ir 54 ppm ribose.
Alkuninio veleno gedimų priežastys ir reikšmė
Alkuninio veleno gedimas gali rimtai sugadinti variklį, dėl kurio gali prireikti brangaus remonto ar net visiškai pakeisti variklį. Alkūninio veleno gedimo priežastys yra kelios, pavyzdžiui, konstrukcijos problemos, tinkamos priežiūros trūkumas ir ekstremalios darbo sąlygos.
Dažniausios alkūninio veleno gedimo priežastys:
- Nuovargio nesėkmė: Plieniniai alkūniniai velenai laikui bėgant gali susilpnėti. Įtempimo vietose, pavyzdžiui, alyvos angos krašte švaistiklio kaištyje, gali atsirasti nedideli įtrūkimai.
- Vibracija ir dinaminis disbalansas: Per didelė vibracija gali sukelti švaistiklio kaiščio ir kakliuko įtrūkimus.
- Nepakankamas tepimas: Netaikant tinkamo tepimo, padidėja trintis ir įkaista, todėl alkūninis velenas greičiau susidėvi.
- Perkrovos: Varikliui dirbant virš alkūninio veleno apkrovos ribos, jis gali sulinkti, pasisukti arba sulūžti.
- Netinkamas montavimas: Neteisingas montavimas, pvz., blogas išlygiavimas arba netinkamas sukimo momentas, padidina alkūninio veleno įtempimą.
- Smagračio problemos: Atsilaisvinęs smagračio varžtas gali paveikti alkūninio veleno pusiausvyrą ir sukelti lūžius.
- Guolių susidėvėjimo ir tarpo problemos: Susidėvėję guoliai arba netinkami guolių tarpai gali sukelti netolygų alkūninio veleno susidėvėjimą ir per didelį įtempimą.
Alkūninių velenų nuovargio gedimas yra rimta problema, galinti smarkiai sugadinti variklį. Šio tipo gedimai dažnai prasideda srityse, kuriose yra didelis įtempis arba gamybos trūkumai. Tinkamas tepimas yra labai svarbus alkūninio veleno sveikatai. Alkūninis velenas veikia dideliu greičiu ir susiduria su dideliu cilindro sprogimo įtempimu.
Naujausias tyrimas, paskelbtas žurnale „Journal of Mechanical Engineering“, išanalizavo 200 alkūninio veleno gedimų sunkių apkrovų metu dyzeliniuose varikliuose. Tyrimai rodo, kad mechaninė perkrova padidina lūžių riziką 30% (Smith ir kt., 2022).
Vibracija ir dinaminis disbalansas yra pagrindinės alkūninio veleno gedimo priežastys. Sukimo vibracija daugiausia atsiranda dyzeliniuose varikliuose. Jį sukelia pulsuojantis sukimo momentas iš kiekvieno cilindro užsidegimo. Dėl šio sukimo momento alkūninis velenas kiekvienu smūgiu šiek tiek pasisuka pirmyn ir atgal, sukurdamas vibraciją. Dinaminis disbalansas atsiranda dėl tokių variklio dalių judėjimo kaip stūmokliai ir švaistikliai.
Dėl torsioninės vibracijos ir dinaminio disbalanso poveikio alkūninio veleno guoliams per daug įtempiama. Šis įtempis sukelia nuovargio lūžius, o kartais savaiminis alkūninio veleno dažnis sustiprina šias vibracijas.
Guolių problemos yra dažna alkūninio veleno gedimo priežastis. Neturint pakankamai tepimo, padidėja trintis tarp guolio ir alkūninio veleno. Dėl to guolis gali užstrigti arba smarkiai sugadinti variklį. Tarpas tarp guolio ir alkūninio veleno kakliuko turi būti tinkamas.
Mechaninė perkrova ir nenormalus degimas yra pagrindinės alkūninio veleno gedimo priežastys:
- Variklio perkrovimas: Alkūninio veleno maksimalios apkrovos viršijimas yra pagrindinė gedimo priežastis.
- Sistemos gedimai: Staigus variklio užstrigimas, kurį dažnai sukelia pavarų dėžės problemos, gali sukelti stiprų mechaninį įtempimą ir perkrauti alkūninį veleną.
- Išankstinis uždegimas: Išankstinis uždegimas įvyksta, kai kuro ir oro mišinys užsiliepsnoja per anksti ir suspaudimo metu susidaro aukštas slėgis.
- Detonacija: Detonacija arba variklio smūgis sukuria aukšto slėgio bangas, kurios vibruoja cilindro sieneles ir alkūninį veleną. Šios vibracijos padidina variklio dalių, įskaitant alkūninį veleną, susidėvėjimą, todėl jis sugenda.
- Automatinis uždegimas ir paviršinis uždegimas: Savaiminis užsidegimas įvyksta, kai nesudegęs kuro mišinys užsidega per anksti. Tai sukelia greitą degimą ir aukštą slėgį, kuris paveikia alkūninį veleną.
V-16 dyzelinio variklio alkūninis velenas sugedo po 20,000 valandų nepertraukiamo veikimo esant 1500 aps./min. Terminis nuovargis: Alkūninio veleno lūžių tyrimas atskleidė žalą išilgai juostos tarp kakliuko ir alkūninio kaiščio.
Alkuninio veleno padėties jutiklio gedimo požymiai
Sugedusio alkūninio veleno padėties jutiklio požymius pastebėti lengviau nei gali atrodyti. Alkūninio veleno jutiklis yra svarbi komplekto dalis, užtikrinanti tinkamą variklio veikimą. Tikslus alkūninio veleno greičio ir padėties sekimas yra būtinas tinkamam keturtakčio vidaus degimo variklio veikimui.
Pagrindiniai sugedusio alkūninio veleno padėties jutiklio požymiai:
- Variklio kontrolinės lemputės užsidegimas: Jei jutiklis neperduoda informacijos į ECU arba tai, ką jis siunčia, atrodo nerimą keliantis, ECU reaguoja įjungdamas variklio kontrolinę lemputę.
- Variklio neužvedimas: Be tinkamos informacijos apie stūmoklių padėtį, variklis gali neužsivesti.
- Padidėjęs degalų suvartojimas: Sugedus alkūninio veleno jutikliui, transporto priemonė gali rodyti didesnį nei įprastai degalų suvartojimą.
- Variklio veikimo sutrikimai: Jei įvyks alkūninio veleno jutiklio (CKP) gedimas, gali atsirasti uždegimo trikdžių, nelygus variklio darbas, sumažėjusi galia. Variklis gali pereiti į šlubavimo režimą, jei jis vis dar veikia.
- Transporto priemonės sustojimas: Sustojus transporto priemonė su pažeistu alkūninio veleno jutikliu, tikriausiai iš naujo nepajudės.
Alkūninio veleno padėties jutiklio paaiškinimas
Alkuninio veleno konstrukcija ir funkcijos
Alkuninis velenas yra vidaus degimo variklio pagrindinė dalis, paverčianti stūmoklio tiesioginio judesio virsmą sukamuoju judesiu. Jis yra alkūninio-švaistiklinio mechanizmo (AŠM) pagrindas, kuris tiesiogiai veikia variklio galią ir efektyvumą.
Alkuninio mechanizmo nejudančios dalys:
- Cilindrų blokas (karteris): Variklio pagrindas, priimantis visas darbo metu atsirandančias apkrovas ir veikiantis variklio atramas.
- Cilindrų galvutė: Iš viršaus uždengia cilindrus, turi įsiurbimo ir išmetimo kanalus, aušinimo ertmes, purkštuvus ir vožtuvus.
Alkuninio veleno tipai ir išdėstymas:
- Centrinis mechanizmas: Alkuninio veleno sukimosi centras sutampa su cilindro ašine linija.
- Dezeksalinis (necentrinis) mechanizmas: Alkuninio veleno sukimosi centas nutolęs nuo cilindro ašies (dažnai naudojamas dyzeliuose).
- "V" formos cilindrų išdėstymas: Cilindrai išdėstyti dviem eilėmis, dažniausiai 90 laipsnių kampu.
- Opozicinis išdėstymas: Cilindrai išdėstyti 180 laipsnių kampu (dažnai motocikluose).
- Vienaeilis vertikalus išdėstymas: Cilindrai išdėstyti vertikaliai viena eile.
Alkuninio veleno judančios dalys ir jų funkcijos:
- Alkuninis velenas: Sudarytas iš alkūninių kakliukų, pagrindinių kakliukų ir alkūnių.
- Stūmokliai: Keičia tiesioginį judesį į sukamąjį, turi sandarinimo ir kreipiamąsias dalis.
- Švaistikliai: Jungia stūmoklius su alkūninio veleno alkūniniais kakliukais.
- Žiedai (kompresiniai ir tepaliniai): Užtikrina sandarumą tarp stūmoklio ir cilindro sienelės.
- Guoliai (pagrindiniai ir švaistikliniai): Mažina trintį tarp besisukančių ir fiksuotų alkūninio mechanizmo dalių.
- Stūmoklio pirštai: Jungia stūmoklį su švaistikliu.
- Tarpinės: Užtikrina sandarumą tarp cilindrų bloko ir cilindrų galvutės.
Reziumuojant atliktų tyrimų rezultatus, galima teigti, kad skalūnų kuras, ypač esant mažam alkūninio veleno sukimosi dažniui ir nedidelėms apkrovoms, turi įtakos variklio efektyvumui ir emisijoms. Nors šis kuras gali turėti privalumų tam tikrais aspektais (pvz., mažesnis dūmingumas esant didesnei apkrovai), jo naudojimas traktorių dyzeliniams varikliams ir kitoms riedančioms transporto priemonėms nėra rekomenduojamas dėl didelio azoto, sieros, pelenų ir kitų neorganinės kilmės priemaišų kiekio. Norint jį naudoti, reikėtų kruopščiau jį išvalyti ir apdoroti kokybę gerinančiais priedais, kad jis tenkintų ES reikalavimus.