,,PAMAITINTI” DYZELĮ – BET KAIP?
Liucijus Suslavičius
Visi, kas tik vienaip ar kitaip, praktiškai ar vien literatūroje, susiduria su dyzeliniais varikliais, mato – tradicinė daugelį metų naudota dyzelinių variklių maitinimo sistema su klasikiniu aukšto slėgimo siurbliu jau atgyveno. Su tuo sutiko ir prie naujų maitinimo sistemų perėjo visi svarbiausieji dyzelinių variklių ir jų maitinimo sistemų gamintojai, nors dar visai nesenai buvo kalbama, jog ,,senasis gerasis” aukšto slėgimo siurblys dar sugebės patenkinti net ,,Euro-3″ normų keliamus reikalavimus. Ir tikrai, prielaidos taip manyti buvo, nes daug su variklių ekologiškumu ir ekonomiškumu susijusių problemų konstruktoriams pavyko išspręsti, tiesioginį mechaninį aukšto slėgimo siurblio valdymą pakeitus elektroniniu EDC (Electronic Diesel Control). Galima buvo atsisakyti nepatikimo išcentrinio reguliatoriaus, siurblio valdymui reikalingų nuo akseleratoriaus pedalo ateinančių traukių,nes valdymui reikalingi signalai ir informacija apie variklio darbą į EDC bloką ateina kabeliu, jo darbą tapo įmanoma suderinti su tempomato, automatinės pavarų dėžės, stabdžių sistemos, kurias irgi kontroliuoja elektroniniai blokai, darbu. Tačiau pereinant prie žymiai aukštesnio degalų įpurškimo slėgio bei kilus poreikiui nuolatos reguliuoti įpurškimo momentą, jį paankstinant ar pavėlinant, priklausomai nuo variklio darbo režimo, klasikinio aukšto slėgimo siurblio tolimesnis tobulinimas tapo beprasmišku, nes su dyzelių maitinimo sistemoms keliamais reikalavimais kur kas geriau ,,susidoroja” naujos kartos maitinimo sistemos. Bet prieš pereidami prie jų nagrinėjimo, apžvelkime dyzelinio variklio cilindre degimo metu vykstančius procesus įtakojančias sąlygas.
Štai kad ir dyzelio darbo metu kylantis triukšmas bei išmetamų dujų toksiškumas – svarbūs ekologiniu požiūriu parametrai. Jie labai priklausomi nuo degalų įpurškimo momento ir technologijos. Skirtingai nei benzininiame variklyje, dyzelyje su tiesioginiu degalų įpurškimu degimo procesas vyksta kaip sprogimas, sukeliantis itin staigų slėgio cilindre šuolį ir taip vadinamą ,,kietą” variklio darbą. Kad ,,sušvelninti” degimo procesą, devintajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje buvo sukurti pirmieji serijiniai dyzeliniai varikliai su dviejų pakopų tiesioginio įpurškimo sistemomis, kurie dirbo ,,minkščiau”, išlaikydami nepakitusiais kitus savo parametrus. Tobulinant šią sistemą, buvo nustatyta, kad variklis dirbtų tyliau, o išmetamose dujose sumažėtų azoto oksidų kiekis, jei pačiu uždegimo momentu cilindre būtų nedaug dyzelino. Todėl ir buvo sukurta išankstinio nedidelės degalų dozės įpurškimo prieš pagrindinę jų porciją technologija. Be sumažėjusio triukšmo ir azoto oksidų kiekio gautas dar vienas teigiamas rezultatas – sumažėjo degalų sąnaudos, varikliui dirbant pilnu apkrovimu. Tačiau idealių sprendimų nebūna – išaugo išmetamose dujose esančių suodžių kiekis. Inžinieriai atrado ,,vaistus” ir nuo šios problemos. Paaiškėjo, jog suodžių išmetimo dujose susidaro mažiau, jei po pagrindinės dyzelino porcijos į cilindrą dar įpurškiamas nedidelis jo kiekis. Teko įpurškimo procesą padalinti net į tris etapus – išankstinį įpurškimą, pagrindinį įpurškimą bei papildomą įpurškimą. Kaip matome, grynai mechaninėms degalų įpurškimo sistemoms toks procesas paprasčiausiai perdaug sudėtingas. O kokios gi yra alternatyvos? Jų šiandien mažiausia trys.
Variklių konstruktorius labiausiai vilioja ,,Common Rail” sistema. Joje degalų slėgio sudarymas ir įpurškimas visiškai atskiri procesai, nesusiję tarpusavyje. Specialus aukšto slėgimo siurblys palaiko pastovų (dažniausia 1500 –1600 barų) slėgį paskirstomajame sistemos rezervuare, kuris gali būti pailgo cilindro ar rutulio formos. Rezervuaras trumpais vamzdeliais sujungtas su elektromagnetinius valdančiuosius vožtuvus turinčiais purkštukais. Kaip minėta, tai ir yra principinis ,,Common Rail” privalumas – įpurškimo slėgis visiškai nepriklauso nuo variklio alkūninio veleno sūkių, jis visą laiką pastovus, įpurškiamo į cilindrą dyzelino kiekis ir jo įpurškimo momentas bei tvarka reguliuojamas ne mechaniškai, o elektronikos pagalba, purkštuke sumontuotam elektromagnetui pagal iš EDC bloko ateinantį signalą atidarant ir uždarant vožtuvą. Tai suteikia didžiulius privalumus – galima laisvai pasirinkti įpurškimo momentą, trukmę, įpurškiamų degalų kiekį, patį įpurškimo procesą labai tiksliai padalinti į išankstinį, pagrindinį ir papildomą įpurškimą. Pakanka atitinkamai užprogramuoti įpurškimo sistemos EDS bloką, ir jis labai tiksliai valdys įpurškimą. Taip palyginti nesunkiai galima išpildyti visą eilę dyzelinio variklio tylaus, ,,švaraus” ir ekonomiško darbo reikalavimų. Kaip minėta, svarbų vaidmenį dabar atlieka elektromagnetinis purkštukas. Jam uždarius vožtuvą, degalų slėgis pakelia purkštuko adatą ir prasideda įpurškimo procesas, kuris trunka tol, ko gavęs signalą iš EDC, elektromagnetinis vožtuvas vėl atsidaro, nutraukdamas degalų įpurškimą į cilindrą. Taip per vieną alkūninio veleno apsisukimą įpurškimo procesą galima pakartoti kelis kartus! Įpurkštų degalų kiekis priklauso nuo slėgio sistemoje ir vožtuvo uždarymo trukmės.
Išankstinis nedidelio degalų kiekio įpurškimas, šiek tiek padidindamas slėgį cilindre, pagerina degimo proceso eigą ir pagreitina pagrindinės degalų porcijos užsiliepsnojimą. Kaip minėta, kartu išvengiama pernelyg staigaus ,,smūginio” slėgio cilindre didėjimo, sumažinamas variklio skleidžiamas triukšmas bei nuodingų medžiagų kiekis išmetamose dujose. Papildomas įpurškimas degimo proceso gale dažniausiai dar derinamas su dalies atidirbusių dujų sugražinimu atgal į cilindrą, taip didinant variklio darbo ekonomiškumą ir ekologiškumą. Šiandien ,,Common-Rail” tipo įpuškimo sistemas savo dyzeliuose naudoja daugelio lengvų komercinių automobilių gamintojai, o sunkiojoje klasėje – ,,Renault”, MAN, IVECO.
,,Common Rail” tipo degalų įpurškimo sistemos pakeitė reikalavimus paties purkštuko elementams. Vietoje mechaninio jo preciziškai pagamintų detalių atsparumo į pirmą planą iškilo purkštuko angą uždarančios adatos valdymo problema. Dabar standartiniu ,,Common Rail” tipo sistemose yra purkštukas su elektromagneto kilnojama adata. Tačiau Hanoverio technikos universiteto mokslininkai šiuo metu atlieka sėkmingus eksperimentus su pjezoelementą adatos valdymui turinčiu purkštuku. Jų nuomone, jau dabar galima teigti, jog pjezoelementų panaudojimas atveria nepaprastai dideles galimybes toliau optimizuoti degalų įpurškimo procesą, panaudojant elektroniką. Kaip žinia, pjezoelementai turi savybę elektros impulsui veikiant, keisti savo ilgį viena kryptimi. Štai šią jų savybę ir nutarė panaudoti vokiečių mokslininkai purkštuko adatos valdymui.
Pjezoelementas (arba pjezoaktyvatorius, kaip jį šiuo atveju vadina vokiečiai) tiesiogiai sujungtas su purkštuko adata. Sistema veikia taip – suslėgti paskirstomajame rezervuare degalai per purkštuką paduodami į degimo kamerą. Reikiamu momentu, kurį nustato mikroprocesorius, valdantis variklio darbą, pjezoaktyvatorius gauna signalą – srovės impulsą, išsiplečia ir pastumia adatą, uždarydamas degalų padavimo kanalą. Įpurškimas nutrūksta ir vėl atsinaujina, iš valdymo modulio ateinančiam impulsui nutrūkus (pjezoaktyvatorius sutrumpėja, degalų slėgis pakelia adatą). Degalų padavimo į purkštuką angos atidarymo ir uždarymo greitis priklauso tik nuo to, kiek trunka pjezoelemento pailgėjimas ir susitraukimas. Pagrindiniai ,,Common Rail” sistemos mazgai – siurblys, paskirstomasis rezervuaras, vamzdeliai – naudojami standartiniai, naujas yra purkštukas su pjezoaktyvatoriumi ir specialiu mikroprocesoriaus siunčiamo elektrinio valdymo signalo stiprintuvu bei variklio darbo kontrolės programa. Purkštukas su pjezoaktyvatoriumi yra ne tik greičiau ir tiksliau dirbantis, jis dar ir trečdaliu trumpesnis už elektromagnetinį.
Vokietijos koncernas ,,Bosch” – vienas pagrindinių įpurškimo sistemų dyzeliams gamintojų pasaulyje – žada sekančiais metais pradėti ,,Common-Rail” tipo įpurškimo sistemų su iki 1800 barų padidintu įpurškimo slėgiu gamybą. Paties tokio dydžio slėgio sistemoje sudarymas nėra problema. Tačiau tenka išspręsti visai ne tokią paprastą, kaip atrodo iš šalies, aukšto slėgio vamzdelių, kuriais į purkštukus paduodami degalai, stabilumo problemą. Juk jiems tenka atlaikyti ne tik aukštą slėgį, bet ir kur kas pavojingesnes aukšto dažnumo vibracijas, kurias sukelia vožtuvams atsidarant ir vėl užsidarant vamzdeliuose pulsuojantis suslėgtas dyzelinas.