VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS TRANSPORTO INŽINERIJOS FAKULTETAS TRANSPORTO TECHNOLOGINIŲ ĮRENGINIŲ KATEDRA Jevgenij Kibickij GAMTINIŲ DUJŲ

Transkriptas

1 VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS TRANSPORTO INŽINERIJOS FAKULTETAS TRANSPORTO TECHNOLOGINIŲ ĮRENGINIŲ KATEDRA Jevgenij Kibickij GAMTINIŲ DUJŲ IR BENZINO NAUDOJIMO KIBIRKŠTINIO UŽDEGIMO VARIKLYJE EFEKTYVUMO TYRIMAS NATURAL GAS AND USE GASOLINE SPARK IGNITION ENGINE EFFICIENCY RESEARCH Baigiamasis magistro darbas Transporto inžinerijos studijų programa, valstybinis kodas 621E20003 Transporto inžinerijos vadybos specializacija Sausumos transporto inžinerijos studijų kryptis Vilnius, 2017

2 VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS TRANSPORTO INŽINERIJOS FAKULTETAS TRANSPORTO TECHNOLOGINIŲ ĮRENGINIŲ KATEDRA Jevgenij Kibickij TVIRTINU Katedros vedėjas (Parašas) prof. Marijonas Bogdevičius (Vardas, pavardė) (Data) GAMTINIŲ DUJŲ IR BENZINO NAUDOJIMO KIBIRKŠTINIO UŽDEGIMO VARIKLYJE EFEKTYVUMO TYRIMAS NATURAL GAS AND USE GASOLINE SPARK IGNITION ENGINE EFFICIENCY RESEARCH Baigiamasis magistro darbas Transporto inžinerijos studijų programa, valstybinis kodas 621E20003 Transporto inžinerijos vadybos specializacija Sausumos transporto inžinerijos studijų kryptis Vadovas (Moksl. laipsnis/pedag. vardas, vardas, pavardė) (Parašas) (Data) Konsultantas (Moksl. laipsnis/pedag. vardas, vardas, pavardė) (Parašas) (Data) Konsultantas (Moksl. laipsnis/pedag. vardas, vardas, pavardė) (Parašas) (Data) Lietuvių kalbos konsultantė (Moksl. laipsnis/pedag. vardas, vardas, pavardė) (Parašas) (Data) Vilnius,

3 Vilniaus Gedimino technikos universiteto egzaminų sesijų ir baigiamųjų darbų rengimo bei gynimo organizavimo tvarkos aprašo m. m. 2 priedas (Baigiamojo darbo sąžiningumo deklaracijos forma) VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS Jevgenij Kibickij, (Studento vardas ir pavardė, studento pažymėjimo Nr.) Transporto inžinerijos fakultetas (Fakultetas) Transporto inžinerijos studijų programa, (Studijų programa, akademinė grupė) grupė BAIGIAMOJO DARBO SĄŽININGUMO DEKLARACIJA 2017 m. d. (Data) Patvirtinu, kad mano baigiamasis darbas tema patvirtintas 2017 m. d. dekano potvarkiu Nr., yra savarankiškai parašytas. Šiame darbe pateikta medžiaga nėra plagijuota. Tiesiogiai ar netiesiogiai panaudotos kitų šaltinių citatos pažymėtos literatūros nuorodose. Parenkant ir įvertinant medžiagą bei rengiant baigiamąjį darbą (projektą), mane konsultavo mokslininkai ir specialistai: Mano baigiamojo darbo vadovas Kitų asmenų indėlio į parengtą baigiamąjį darbą nėra. Jokių įstatymų nenumatytų piniginių sumų už šį darbą niekam nesu mokėjęs (-usi). (Parašas) (Vardas ir pavardė) 3

4 VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS TRANSPORTO INŽINERIJOS FAKULTETAS TRANSPORTO TECHNOLOGINIŲ ĮRENGINIŲ KATEDRA Sausumos transporto inžinerija studijų kryptis Transporto inžinerija studijų programa, valstybinis kodas 621E20003 Transporto inžinerijos vadybos specializacija BAIGIAMOJO MAGISTRO DARBO UŽDUOTIS...Nr.... Vilnius TVIRTINU Katedros vedėjas (Parašas) prof. Marijonas Bogdevičius (Vardas, pavardė) (Data) Studentui (ei): Jevgenij Kibickij (Vardas, pavardė) Baigiamojo darbo tema: Gamtinių dujų ir benzino naudojimo kibirkštinio uždegimo variklyje efektyvumo tyrimas, patvirtinta 2017 m. gegužės 17 d. dekano potvarkiu Nr. 268ti. Baigiamojo darbo užbaigimo terminas BAIGIAMOJO DARBO UŽDUOTIS: Nustatyti nagrinėjamo variklio ekologinių ir energetinių parametrų pokytį, benzininius degalus pakeitus suslėgtomis gamtinėmis dujomis: 1. Apžvelgti ir išanalizuoti tyrimus dominančia tema. 2. Suformuluoti uždavinius. 3. Parengti tyrimo metodiką. 4. Atlikti eksperimentinius variklio ekologinių ir energetinių charakteristikų tyrimus, varikliui dirbant benzinu ir benziną pakeitus suslėgtomis gamtinėmis dujomis, palyginti rezultatus. 5. Apskaičiuoti ekonominius suslėgtų gamtinių dujų naudojimo vidaus degimo variklyje parametrus. 6. Apdoroti ir interpretuoti tyrimo rezultatus, suformuluoti išvadas. Baigiamojo darbo rengimo konsultantai: dr. doc. Alfredas Rimkus (Moksl. laipsnis/pedag. vardas, vardas, pavardė) dr. Mindaugas Melaika (Moksl. laipsnis/pedag. vardas, vardas, pavardė) Vadovas... dr. doc. Vilius Bartulis (Parašas ) (Moksl. laipsnis/pedag.vardas, vardas, pavardė) Užduotį gavau.. (Parašas) Jevgenij Kibickij (Vardas, pavardė)..... (Data) 4

5 Vilniaus Gedimino technikos universitetas Transporto inžinerijos fakultetas Transporto technologinių įrenginių katedra ISBN ISSN Egz. sk.... Data Antrosios pakopos studijų Transporto inžinerijos programos magistro baigiamasis darbas Gamtinių dujų ir benzino naudojimo kibirkštinio uždegimo variklyje Pavadinimas efektyvumo tyrimas Autorius Jevgenij Kibickij Vadovas dr. doc. Vilius Bartulis Kalba: lietuvių Anotacija Baigiamajame magistro darbe nagrinėjami automobilio Nissan Qashqai HR16DE variklio energetiniai ir ekologiniai rodikliai, benzininius degalus pakeitus suslėgtomis gamtinėmis dujomis. Analizuojamas suslėgtų gamtinių dujų panaudojimo vidaus degimo variklyje efektyvumas. Atliekama literatūros šaltinių analizė. Aprašoma eksperimentinių tyrimų metodika. Pateikiami eksperimentinių tyrimų rezultatai. AVL Boost skaitinio modeliavimo programa apskaičiuojami ir palyginami standartinio bei modifikuoto variklio rodikliai. Atliekamas suslėgtų gamtinių dujų įrangos panaudojimo tikslingumo ekonominis įvertinimas. Pateikiamos išvados. Darbą sudaro 6 dalys: įvadas, suslėgtų gamtinių dujų panaudojimas vidaus degimo varikliuose, literatūros šaltinių analizė, eksperimentinių tyrimų metodika, eksperimento rezultatai, variklio projektavimas AVL Boost programa, suslėgtų gamtinių dujų įrangos panaudojimo tikslingumo ekonominis įvertinimas, išvados, literatūra. Darbo apimtis 62 psl. teksto be priedų, 29 paveikslai, 15 lentelių, 29 bibliografiniai šaltiniai. Atskirai pridedami darbo priedai. Prasminiai žodžiai: suslėgtos gamtinės dujos, vidaus degimo variklis, galia, emisija, ekologija, Nissan, degalai. 5

6 Vilnius Gediminas Technical University Faculty of Transport Engineering Department of Transport Technological Equipment ISBN ISSN Copies No.... Date Master Degree Studies Transport Engineering study programme Master Graduation Thesis Title Natural gas and use gasoline spark ignition engine efficiency research Author Jevgenij Kibickij Academic supervisor Dr. Associate Professor Vilius Bartulis Thesis language: Lithuanian Annotation This thesis examines the car Nissan Qashqai HR16DE engine energy and environmental indicators, replacing gasoline fuel with compressed natural gas. Analyzing compressed natural gas to the internal combustion engine performance. Carried out analysis of the literature. This describes the experimental research methodology. Experimental results. AVL Boost numerical simulation program are calculated and compared standard and modified engine performance. Performed compressed natural gas utilization equipment expediency economic evaluation. Conclusions. The work consists of 6 parts: introduction, the use of compressed natural gas in internal combustion engines, analysis of the literature, experimental research methodology, experimental results, the engine design AVL Boost program, compressed natural gas utilization equipment expediency economic assessment, conclusions, and literature. Working volume - 62 pages. text without extras, 29 pictures, 15 tables, 29 references. Appendixes. Keywords: compressed natural gas, the internal combustion engine, power, emissions, environment, Nissan, fuel. 6

7 Turinys Paveikslų sąrašas... 9 Lentelių sąrašas Santrumpos Įvadas Suslėgtų gamtinių dujų panaudojimas vidaus degimo varikliuose Literatūros šaltinių analizė Eksperimentinių tyrimų metodika Benzininis vidaus degimo variklis Variklio elektroninis valdymo modulis Variklio apkrovos stendas Išmetamųjų dujų emisijos matavimo įranga Vidaus degimo variklio indikatorinio slėgio matavimo įrenginys Dujų masės matuoklis Išmetamųjų dujų temperatūros matavimo įranga Suslėgtų gamtinių dujų įranga Tyrimų metodika Eksperimento rezultatai Ekologiniai rodikliai (išmetamųjų dujų emisija) Energetiniai rodikliai Variklio projektavimas AVL Boost programa Prototipo modelio sudarymas Virtualaus variklio parametrų modifikavimas Gauti modeliavimo rezultatai Suslėgtų gamtinių dujų įrangos panaudojimo tikslingumo ekonominis įvertinimas Išvados Literatūra

8 Priedai

9 Paveikslų sąrašas 1.1 pav. Suslėgtų gamtinių dujų panaudojimo automobilyje bendras vaizdas (Клуб ) pav. Lyginamasis toksiškų medžiagų kiekis išmetamosiose dujose (Tonkonogij 2012) pav. Vidutinio efektyvaus degimo slėgio matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) pav. Lyginamųjų degalų sąnaudų matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) pav. NO x ir HC emisijos matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) pav. CO 2, CO ir O 2 emisijos matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) pav. Apskaičiuotas bendras įprastų degalų rūšių ir gamtinių dujų išmetamųjų teršalų kiekis iš metais Lietuvoje suvartotų degalų (Stundžia et al. 2014) pav. Dviejų zonų degimo cilindro modelio schema (Melaika et al. 2012) pav. NO x kiekio išmetamuosiuose deginiuose kitimas priklausomai nuo EGR ir λ reikšmių, varikliui dirbant suslėgtomis gamtinėmis dujomis (Melaika et al. 2012) pav. Stabdymo jėgos matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) pav. Išmetamųjų dujų temperatūros matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) pav. CO ir CO 2 emisijos matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) pav. HC ir O 2 emisijos matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) pav. Laboratorinio tyrimo įrangos schema pav. Variklis HR16DE ir sūkurinių srovių variklių apkrovos stendas AUTOMEX AMX 200/ pav. Suslėgtų gamtinių dujų įrangos schema pav. Variklio darbo valdymo žemėlapis pav. Dujų masės matuoklio, deginių analizatoriaus ir išmetamųjų dujų temperatūros jutiklių rodmenys pav. Anglies monoksido (CO) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. Anglies dioksido (CO 2 ) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. Angliavandenilių (CH) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo

10 4.4 pav. Azoto oksidų (NO x ) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. Išmetamųjų dujų temperatūros priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. Variklio galios priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. Lyginamųjų degalų sąnaudų priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. Variklio naudingumo koeficiento priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo pav. AVL Boost programa sumodeliuotas prototipas pav. Maksimalaus degimo slėgio kitimo kreivės pav. Maksimalios degimo temperatūros kitimo kreivės

11 Lentelių sąrašas 1.1 lentelė. Įvairių degalų šilumingumo palyginimas (Ramadhas 2011) lentelė. Benzino ir gamtinių dujų fizikinių ir cheminių savybių palyginimas (Bain et al. 1998) lentelė. Tiriamo variklio parametrai (Aslam et al. 2005) lentelė. Suvartotų degalų kiekis metais (Stundžia et al. 2014) lentelė. Bendras apskaičiuotas teršalų kiekis iš m. suvartotų degalų (Stundžia et al. 2014) lentelė. Dujinių degalų emisija metais (Stundžia et al. 2014) lentelė. Variklio E2876 LUH techniniai duomenys (Melaika et al. 2012) lentelė. Eksperimentams naudojamo variklio duomenys (Tahir et al. 2010) lentelė. Variklio HR16DE techniniai duomenys lentelė. Variklio apkrovos stendo AUTOMEX AMX 200/200 techniniai duomenys lentelė. Deginių analizatoriaus OPUS 40D matuojami parametrai lentelė. Prototipo vožtuvų atidarymo/uždarymo fazės lentelė. Degimo proceso modeliavimo rezultatai lentelė. Išmetamųjų dujų emisijos modeliavimo rezultatai lentelė. Variklio energetinių rodiklių modeliavimo rezultatai

12 Santrumpos ART apatinis rimties taškas, C 4 C 12 benzinas, CH angliavandeniliai, CH 4 metanas, CO anglies monoksidas, CO 2 anglies dioksidas, ES Europos Sąjunga, EGR išmetamųjų dujų recirkuliacijos sistema, KU kibirkštinis uždegimas, n variklio sūkiai, NO x azoto oksidai, O 2 deguonis, SGD suslėgtos gamtinės dujos, SND suskystintos naftos dujos, U įtampa, VGTU Vilniaus Gedimino technikos universitetas, VRT viršutinis rimties taškas, Q m dujų masė, AV alkūninio veleno pasisukimo laipsnis, λ oro pertekliaus koeficientas, ε suslėgimo laipsnis. 12

13 Įvadas Pastariasiais metais pasaulyje vis dažniau keliama automobilių ekologiškumo problema (ES transporto politikos Baltoji knyga 2011). Griežtėjantys aplinkosaugos reikalavimai priverčia automobilių gamintojus ieškoti naujų sprendimų ir būdų, mažinančių išmetamųjų dujų emisiją į aplinką. Pamažu į rinką skverbiasi elektromobiliai, tačiau ribotas nuvažiuojamas atstumas, didelė elektromobilių kaina bei nepakankamai išplėtota infrastruktūra stabdo šių transporto priemonių paklausą. Todėl vidaus degimo varikliu varomi automobiliai vis dar išlieka perkamiausiais naujų ir naudotų automobilių rinkoje. Vienas svarbiausių strateginių Europos Sąjungos politikos tikslų yra aplinkosauga ES sutartis numato, kad šalių ekonominės plėtros politika turi būti grindžiama aplinkosaugos kriterijais. Pastaruoju metu ypač daug dėmesio skiriama šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijai mažinti. Jos pradėtos reglamentuoti 1992 metais, pasirašius Jungtinių Tautų Klimato Konvenciją, o 1997 m. buvo pasirašytas Kioto protokolas, skatinantis mažinti šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijas. Pagrindiniai atmosferos taršos šaltiniai yra transportas ir energetika, naudojantys iškastinės kilmės degalus, todėl ES skatina mineralinių degalų išteklius pakeisti atsinaujinančiais ir nuolat plėsti jų naudojimo mastą įvairiose ūkio srityse (ES transporto politikos Baltoji knyga 2011). Vienas iš ekologinių išmetamųjų dujų emisijos mažinimo sprendimų suslėgtų gamtinių dujų panaudojimas. Sudegus šioms dujoms, į aplinką yra išmetama mažesnė kenksmingų medžiagų emisija (lyginant su benzininiais degalais). Taip pat šios dujos turi didesnį oktaninį skaičių negu benzinas, ir tai leidžia padidinti suslėgimo pabaigos parametrus (slėgį ir temperatūrą) išvengiant detonacijos. Šiuo atveju didėja variklio galia (Heywood 1988). Tačiau mokslininkai pastebi, kad naudojant gamtines dujas vietoje benzino būtina ankstinti uždegimo paskubos kampą bent keliais laipsniais. Taip pat nustatyta, kad naudojant gamtines dujas sumažėja lyginamosios degalų sąnaudos (Evans et al. 1997). Aslam et al. eksperimentiniu būdu nustatė, kad anglies monoksido (CO), anglies dvideginio (CO 2 ) ir angliavandenilių (CH) teršalų emisija sumažėjo, naudojant gamtinių dujų degalus. Baigiamajame magistro darbe nagrinėjama tematika atitinka Vilniaus Gedimino technikos universiteto šių prioritetinių mokslo krypčių tematiką: Energiją ir aplinką tausojančios transporto priemonės; Fizinių, technologinių ir ekonominių procesų matematiniai modeliai ir metodai. Darbo tikslas atlikti eksperimentinį tyrimą ir nustatyti nagrinėjamo variklio ekologinių ir energetinių parametrų pokytį benzininius degalus pakeitus suslėgtomis gamtinėmis dujomis. 13

14 Taip pat apskaičiuoti bei palyginti sąnaudas degalams automobilį eksploatuojant skirtingomis degalų rūšimis. Darbo uždaviniai: Išanalizuoti literatūrą ir techninę dokumentaciją. Sudaryti tyrimų metodiką. Sukomplektuoti tyrimams reikalingą įrangą. Atlikti eksperimentinius lyginamuosius variklio ekologinius ir energetinius tyrimus benziną pakeitus suslėgtomis gamtinėmis dujomis. Atlikti ekonominius suslėgtų gamtinių dujų naudojimo kibirkštinio uždegimo vidaus degimo variklyje skaičiavimus. Išanalizuoti gautus rezultatus ir suformuluoti išvadas. 14

15 1. Suslėgtų gamtinių dujų panaudojimas vidaus degimo varikliuose Pasaulyje vykdomi suslėgtų gamtinių dujų panaudojimo benzininiuose vidaus degimo varikliuose moksliniai tyrimai. Taip siekiama sumažinti aplinkos taršą ir pagerinti miestų ekologinę būklę, naudojant mažiau įprastinių automobiliuose naudojamų degalų, pagamintų iš naftos benzino, suskystintų naftos dujų (SND), dyzelino, jį pakeičiant ekologiškais ir aplinką mažiau teršiančiais degalais. Planuojama, kad 2020 m. Europos Sąjungoje 20 % benzino ir dyzelino turės būti pakeista alternatyviais degalais: gamtinėmis dujomis, biodegalais, vandeniliu bei kitais įprastų degalų pakaitalais (Tonkonogij 2012: 16). Suslėgtos gamtinės dujos (SGD) tai metano (CH 4 ) dujos, suslėgtos iki bar slėgio, ir laikomos kriogeniniuose bakuose termosuose (1.1 pav.). Tikslesnė šių dujų sudėtis % metano, o likusioji frakcija etanas, propanas ir butanas. Lyginant su benzinu tai silpniau detonuojantys degalai, turintys didesnį oktaninį skaičių (~130) negu benzinas (92 98). SGD dujos tai iškastiniai degalai, išgaunami iš didžiulių požeminių telkinių, esančių, pvz., Šiaurės ar Kaspijos jūrose. Šios dujos yra 4 kartus lengvesnės už orą. 1.1 pav. Suslėgtų gamtinių dujų panaudojimo automobilyje bendras vaizdas (Клуб ) Gamtinės dujos gali būti naudojamos su benzinu arba atskirai. Taip pat jos gali būti naudojamos visų tipų automobiliuose: keleiviniuose ir krovininiuose, sunkvežimiuose ir autobusuose. 15

16 Gamtinių dujų deginiai atitinka leidžiamąsias išmetamų teršalų normas (1.2 pav.). Jų, kaip ekologiškai švarių degalų, privalumai itin gerai atsiskleidžia miestuose palyginus dyzelinių ir dujinių degalų taršą (g/km) nustatyta, kad gamtinėmis dujomis maitinami automobiliai 90 % mažiau nei maitinami dyzelinu teršia aplinką dūmais, kietosiomis dalelėmis ir sieros dvideginiu, 50 % mažiau anglies monoksidu ir 20 % mažiau azoto oksidais ir reaguojančiais angliavandeniliais. Palyginus su benzino tarša, gamtinės dujos 80 % mažiau teršia aplinką azoto oksidais, 25 % mažiau anglies monoksidais, 20 % mažiau reaguojančiais angliavandeniliais ir 75 % mažiau anglies dvideginiu (Tonkonogij 2012: 16). 1.2 pav. Lyginamasis toksiškų medžiagų kiekis išmetamosiose dujose (Tonkonogij 2012) Gamtinės dujos susidaro vykstant natūraliems procesams (pūvant organinėms medžiagoms) ir yra visiškai nekenksmingos gyviems organizmams. Kadangi gamtinės dujos yra lengvesnės už orą, patekusios į aplinką jos kylą į viršų ir greitai išsisklaido. Gamtinių dujų nuotėkis neužteršia dirvožemio, vandens ir oro. Aplinkoje gamtinės dujos gali užsidegti tik esant 5 15 % dujų koncentracijai ore. Esant mažesnei dujų koncentracijai, jos neužsidega, o esant didesnei jų degimui trūksta deguonies. Be to, gamtinėms dujoms užsidegti reikalinga aukštesnė negu kitiems degalams temperatūra (1.2 lentelė). Gamtinės dujos daugelyje pasaulio šalių yra pigesnės negu naftos produktai. Naudojant gamtines dujas, išlaidos degalams sumažinamos % (Tonkonogij 2012: 17). Todėl tai yra puiki alternatyva benzininiams ir dyzeliniams degalams. 16

17 1.1 lentelė. Įvairių degalų šilumingumo palyginimas (Ramadhas 2011) Eil. Nr. Pavadinimas Šilumingumas 1. Suslėgtos gamtinės dujos (97 % CH 4 ) 52,22 MJ/kg 2. Benzinas 46,53 MJ/kg 3. Dyzelinas 43,1 MJ/kg 4. Suskystintos naftos dujos 46 MJ/kg 1.2 lentelė. Benzino ir gamtinių dujų fizikinių ir cheminių savybių palyginimas (Bain et al. 1998) Parametras Benzinas Gamtinės dujos Cheminė formulė C 4 C 12 CH 4 Tankis, kg/m ,671 Užšalimo temperatūra, C ,2 Virimo temperatūra, C nuo -164 iki -88 Savaiminio užsiliepsnojimo temperatūra, C Pliūpsnio temperatūra, C ,7 Stechiometrinio mišinio santykis 14,7 17,2 Gamtinių dujų šilumingumas yra pastebimai didesnis, negu kitų degalų rūšių (1.1 lentelė). Tai reiškia, jog sudeginę 1 kg gamtinių dujų mes gausime didesnį energijos kiekį, negu sudeginę 1 kg benzino, dyzelino arba suskystintų naftos dujų. Dėl šios priežasties gamtinių dujų lyginamosios degalų sąnaudos yra mažesnės, lyginant su kitomis degalų rūšimis. Gamtinių dujų telkinių kiekis Žemėje ženkliai viršija naftos atsargas (Tonkonogij 2012: 17). Baigiamajame magistro darbe nagrinėjama problema atitinka Baltosios knygos tikslus: iki 2030 m. dvigubai sumažinti įprastiniais degalais varomų automobilių naudojimą miestuose; iki 2050 m. pasiekti, kad miestuose jų nebeliktų; iki 2030 m. pasiekti, kad vykdant miestų logistikos veiklą didžiuosiuose urbanistiniuose centruose CO 2 iš esmės nebūtų išmetamas. 17

18 2. Literatūros šaltinių analizė 2005 metais Malaizijos universiteto, Mechanikos inžinerijos fakulteto Vidaus degimo variklių laboratorijoje mokslininkai atliko tyrimą, kuriame bandė panaudoti suslėgtas gamtines dujas kaip alternatyvius degalus benzininiame vidaus degimo variklyje (2.1 lentelė). 2.1 lentelė. Tiriamo variklio parametrai (Aslam et al. 2005) Parametras Reikšmė Darbinis tūris, cm Suslėgimo laipsnis 9,2 Cilindro skersmuo, mm 75,5 Stūmoklio eiga, mm 82 Maksimalūs sūkiai, aps/min 6000 Maksimalus sukimo momentas, Nm 122 Vožtuvų skaičius 12 Variklis buvo bandomas dviem darbo režimais: 1. Keičiant variklio apsukas nuo 1500 iki 5500 aps/min, ir palaikant degujį mišinį, kurio sudėtis λ kito nuo 1,01 iki 1,06 varikliui dirbant tiek benzinu, tiek suslėgtomis gamtinėmis dujomis. 2. Varikliui dirbant pastoviais sūkiais (2500 aps/min, 3000 aps/min ir 3500 aps/min), keičiant variklio apkrovą nuo 25 iki 65 % ir esant pastoviam 122 Nm sukimo momentui. Mišinio sudėtis λ varikliui dirbant benzinu buvo palaikoma 0,85, o dirbant suslėgtomis gamtinėmis dujomis 0,95. Suslėgtų gamtinių dujų sąnaudos buvo matuojamos prietaisu Kobold WFM2705. Bandymų metu variklis dirbo nuo 6 iki 8 min su duomenų nuskaitymu ir apdorojimu kas 30 s. Buvo atliekami variklio sukimo momento, galios ir degalų sąnaudų matavimai. Turint šiuos duomenis buvo apskaičiuojami vidutinis efektyvus degimo slėgis, vidutinės lyginamosios degalų sąnaudos, stabdymo galia. Išmetamųjų dujų emisija buvo matuojama prietaisu BOSCH BACHAR-ACH. Visi matavimai buvo kartojami po 3 kartus varikliui dirbant kiekvienu matavimo režimu. Bandymų seka buvo atliekama 4 kartus. Suslėgtų gamtinių dujų degimo charakteristikos skiriasi nuo benzino degimo charakteristikų. Dujos turi savybę ilgiau degti, ir joms uždegti reikia mažesnės energijos, nei benzininiams degalams. Mažiausias šilumos kiekis, reikalingas uždegti benzinui ir suslėgtoms gamtinėms dujoms buvo nustatomas laboratorijoje Petronas Research and Scientific Services. 18

19 Bandymų metu buvo naudojama italų gamybos suslėgtų gamtinių dujų įranga Tartarini RP/76- M, kuri atlaiko 200 bar slėgį. Gauti tyrimų rezultatai: 2.1 pav. Vidutinio efektyvaus degimo slėgio matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) Iš 2.1 pav. matoma, jog panaudojant suslėgtas gamtines dujas apie 16 % sumažėja vidutinis efektyvus degimo slėgis. Taip yra todėl, kad gamtinės dujos turi savybę ilgiau degti, ir yra patiriami energijos nuostoliai. Tyrimai buvo atliekami esant pilnai atidarytai droselinei sklendei. 2.2 pav. Lyginamųjų degalų sąnaudų matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) Iš 2.2 pav. matyti, kad apie 18 % sumažėjo lyginamosios degalų sąnaudos. Šiam rodikliui didžiausią įtaką daro gamtinių dujų šilumingumas, kuris yra didesnis negu benzino. Taip pat svarbu paminėti, jog gamtinių dujų ir oro mišinys yra paliesintas. 19

20 2.3 pav. NO x ir HC emisijos matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) Iš 2.3 pav. matoma, kad gamtinių dujų angliavandenilių (HC) emisija daug mažesnė už benzino. Tačiau azoto oksidų (NO x ) emisija didesnė. To priežastis didesnė dujų degimo temperatūra bei paliesinta mišinio sudėtis. Ši problema sprendžiama naudojant EGR sistemą. 2.4 pav. CO 2, CO ir O 2 emisijos matavimo rezultatai (Aslam et al. 2005) Iš 2.4 pav. matyti, jog suslėgtų gamtinių dujų anglies dioksido (CO 2 ) ir anglies oksido (CO) emisija gerokai mažesnė už benzino, bet O 2 koncentracija didesnė. Aptariant bendras tyrimo išvadas galima teigti, jog gamtinių dujų panaudojimas pastebimai sumažina išmetamųjų dujų kiekį bei lyginamąsias degalų sąnaudas. Todėl gamtinės dujos tinkama alternatyva benzininiams degalams metais Vilniaus Gedimino technikos universitete, Transporto inžinerijos fakultete, Automobilių transporto katedroje buvo atliktas automobilių su dujų įranga taršos tyrimas. Tyrimas buvo atliekamas išanalizavus Lietuvoje metais suvartotą benzino, dyzelino, 20

21 suskystintų naftos dujų ir suslėgtų gamtinių dujų kiekius. Remiantis šiais duomenimis buvo apskaičiuota kiekvienos degalų rūšies išmetamųjų dujų emisija į aplinką. 2.2 lentelėje pateikta, kiek degalų Lietuvoje buvo suvartota per metus. Duomenys gauti iš Lietuvos naftos produktų prekybos įmonių asociacijos Oilunion. 2.2 lentelė. Suvartotų degalų kiekis metais (Stundžia et al. 2014) Metai Degalų kiekis, mln. t. Benzinas Dyzelinas Dujos ,892 0,996 0, ,945 1,068 0, ,919 1,384 0, ,026 1,641 0, ,992 1,830 0, ,240 2,273 0, ,232 2,362 0, ,934 1,690 0, ,821 2,108 0, ,726 2,152 0, ,610 2,202 0,377 Teršalų emisijai apskaičiuoti buvo naudojama 1998 m. liepos 13 d. priimta teršiančių medžiagų, išmetamų į atmosferą iš mašinų su vidaus degimo varikliais vertinimo metodika //Valstybės žinios, , Nr Naudojant šią metodiką nustatoma automobilių, turinčių vidaus degimo variklius, išmetamų į atmosferą teršalų kiekiai (2.3 ir 2.4 lentelės). 2.3 lentelė. Bendras apskaičiuotas teršalų kiekis iš m. suvartotų degalų (Stundžia et al. 2014) Degalų rūšis CO, mln. t CH, mln. t NO x, mln. t SO 2, t K.d, t CO 2, mln. t Benzinas 1,15 0,18 0,072 3, ,3 Dyzelinas 0,61 0,18 0,103 6,29 5,95 19,7 Dujos 0,57 0,09 0, ,14 Iš viso: 2,33 0,45 0,211 10,1 0 35,14 21

22 2.4 lentelė. Dujinių degalų emisija metais (Stundžia et al. 2014) Degalų rūšis CO, mln. t CH, mln. t NO x, mln. t CO 2, mln. t SND 1,39 0,22 0,087 12,4 SGD 0,87 0,16 0, Iš viso: 2,26 0,38 0,154 27,4 2.5 pav. pavaizduota išmetamųjų teršalų kiekio skirtumas naudojant įprastus (benziną, dyzeliną, suskystintas naftos dujas) ir gamtinių dujų degalus. Bendras išmestų į aplinką kenksmingų medžiagų kiekis vartojant gamtines dujas sumažėtų 33 %. Iš jų 22 % yra CO pav. Apskaičiuotas bendras įprastų degalų rūšių ir gamtinių dujų išmetamųjų teršalų kiekis iš metais Lietuvoje suvartotų degalų (Stundžia et al. 2014) Pagrindinė tyrimo išvada įprastinius degalus pakeitus adekvačiu dujinių degalų kiekiu į atmosferą patektų 33 %, t. y. 8,67 mln. t mažiau kenksmingų medžiagų. Į aplinką išmetamo CO 2 sumažėtų 22 %. Aplinka nebūtų teršiama kietosiomis dalelėmis ir sieros dioksidu metais Vilniaus Gedimino technikos universitete, Transporto inžinerijos fakultete, Automobilių transporto katedroje buvo atliktas autobuso MAN Lion s City vidaus degimo variklio E2876 LUH darbo modeliavimas naudojant skirtingus suslėgtų gamtinių dujų ir vandenilio degalų mišinius (2.5 lentelė). Pasirinkta, kad variklis dirba mieste važinėjant dažniausiai pasitaikančiais sūkiais (1600 aps/min), o tai leidžia pasiekti kw galią esant 1250 Nm sukimo momentui. 22

23 Modeliavimui atlikti buvo panaudota Maskvos Baumano valstybiniame technikos universitete, Vidaus degimo variklių katedroje sukurta skaitinio modeliavimo programa DIESEL-RK. Šioje programoje įdiegti pažangūs vidaus degimo variklių šiluminių, dinaminių ir išmetamųjų dujų emisijų parametrų skaičiavimo matematiniai modeliai. 2.5 lentelė. Variklio E2876 LUH techniniai duomenys (Melaika et al. 2012) Rodiklis Reikšmė Nominali variklio galia, kw 228 Nominalios variklio apsukos, aps/min 2000 Maksimalus sukimo momentas, Nm 1250 Cilindro skersmuo, mm 128 Stūmoklio eiga, mm 166 Variklio darbinis tūris, l 12,8 Suslėgimo laipsnis 12 Maksimalus absoliutus turbokompresoriaus slėgis, bar 2,2 Cilindrų skaičius 8 Modeliavimo pakete panaudotas 2-jų zonų degimo modelis. 1 zoną sudaro nesudegęs degalų mišinys, o 2 zoną degimo produktai, kurie gali būti susimaišę su šviežiu oru, patekusiu iš 1 zonos. Kiekvienoje zonoje yra apskaičiuojami šilumos mainai su cilindro sienele, disociacija, šilumos ir masės mainai tarp zonų (2.6 pav.). 2.6 pav. Dviejų zonų degimo cilindro modelio schema (Melaika et al. 2012) 23

24 DIESEL-RK programa buvo tiriami šie dujų mišiniai: suslėgtos gamtinės dujos be vandenilio, suslėgtos gamtinės dujos su 10 % vandenilio priedu, suslėgtos gamtinės dujos su 20 % vandenilio priedu, suslėgtos gamtinės dujos su 30 % vandenilio priedu (2.7 pav.). 2.7 pav. NO x kiekio išmetamuosiuose deginiuose kitimas priklausomai nuo EGR ir λ reikšmių, varikliui dirbant suslėgtomis gamtinėmis dujomis (Melaika et al. 2012) Modeliuojant variklio darbą suslėgtomis gamtinėmis dujomis be vandenilio priedo nustatyta, kad esant 220 kw galiai NO x kiekis siekia 2,70 g/kwh. Teoriškai yra žinoma, jog transporto priemonėse yra montuojami katalizatoriai, kurie NO x kiekį deginiuose sumažina iki % (Yanling et al. 2008, Shuhua et al. 2007). Tokiu atveju, esant nustatytai 220 kw galiai, NO x kiekis gali sumažėti iki 0,27 g/kwh, jei priimsime, kad katalizatorius sumažina NO x deginių kiekį 90 %. Šis deginių kiekis yra labai artimas MAN autobusų gamintojo išmetamųjų deginių kiekiui (0,22 g/kwh). Pagrindinė tyrimo išvada didinant vandenilio kiekį suslėgtose gamtinėse dujose didėja variklio galia, tačiau išauga azoto oksidų kiekis išmetamosiose dujose metais Australijos Rokhamptono universitete buvo atliktas tyrimas, kuriame mokslininkai benzininiame vidaus degimo variklyje kaip alternatyvius degalus panaudojo suslėgtas gamtines dujas (2.6 lentelė). Variklio darbo procesams reguliuoti buvo panaudotas elektroninis valdymo modulis CP 128. Modulis dirba naudodamas CADET10 programinę įrangą. Ši įranga tyrimo metu nuolat apdorojo šiuos parametrus: variklio sūkiai, sukimo momentas, droselinės sklendės atidarymo laipsnis. 24

25 2.6 lentelė. Eksperimentams naudojamo variklio duomenys (Tahir et al. 2010) Degalų tipas Benzinas Darbinis tūris, cm Cilindrų skaičius 4 Suslėgimo laipsnis 9,5 Cilindro skersmuo, mm 78 Stūmoklio eiga, mm 83,4 Maksimali galia, kw 79,43 Maksimalus sukimo momentas, Nm 143,42 Maksimalūs sūkiai, aps/min 6500 Tyrimo metu variklio darbas atitiko standartą SAE J1349. Uždegimo paskubos kampas buvo keičiamas nuo 23 iki 28 prieš VRT. Tam, kad būtų galima tiksliai nustatyti išmetamųjų dujų emisiją, variklis dirbo skirtingais sūkiais. Bandymai buvo atliekami dviem etapais: 1. Esant 50 % atidarytai droselinei sklendei ir kas 500 aps/min keičiant sūkius nuo 1500 iki 5500 aps/min. 2. Esant 80 % atidarytai droselinei sklendei ir kas 500 aps/min keičiant sūkius nuo 1500 iki 5500 aps/min. Kiekvienas bandymas buvo kartojamas po 3 kartus ir trukdavo nuo 6 iki 8 min. Kas 30 s valdymo blokas fiksuodavo duomenis ir juos išsaugodavo. Stabdymo jėgai matuoti buvo naudojamas apkrovo stendas, kuris su tyrimams naudojamu varikliu buvo sujungtas tiesiogiai, velenu. Priklausomai nuo sūkių, varikliui buvo imituojama nuo 25 iki 65 % apkrova. Bandymų seka buvo atliekama 4 kartus. Tyrimams buvo naudojama 3-ios kartos suslėgtų gamtinių dujų įranga LR OMEGAS. Ši įranga atlaiko 200 bar slėgį. Išmetamųjų dujų emisijai matuoti buvo naudojamas Bosh ETT dujų analizatorius. 25

26 Gauti tyrimų rezultatai: 2.8 pav. Stabdymo jėgos matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) Iš 2.8 pav. matoma, jog abiem atvejais stabdymo jėga naudojant suslėgtas gamtines dujas yra mažesnė negu naudojant benziną. Taip yra dėl to, kad gamtinės dujos dega ilgiau negu benzinas ir yra naudojamas paliesintas mišinys. Svarbu pastebėti, jog esant 80 % atidarytai droselinei sklendei, skirtumas tarp stabdymo jėgų sumažėjo, o didžiausia stabdymo jėga yra, kai sūkiai maksimalūs. Esant 50 % atidarytai droselinei sklendei, maksimali stabdymo jėga pasireiškia esant vidutiniams sūkiams. 2.9 pav. Išmetamųjų dujų temperatūros matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) 2.9 pav. matyti, jog varikliui dirbant gamtinėmis dujomis, išmetamųjų dujų temperatūra didėja, lyginant su benzino išmetamųjų dujų temperatūra. Taip yra dėl didesnio gamtinių dujų šilumingumo bei paliesinto degiojo mišinio sudėties. Išmetamųjų dujų temperatūra proporcingai didėja, didėjant variklio sūkiams. 26

27 2.10 pav. CO ir CO 2 emisijos matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) Iš 2.10 pav. matoma, jog CO išmetamųjų dujų emisija yra išmetama mažesnė varikliui dirbant gamtinėmis dujomis, lyginant su benzininiais degalais. Esant 50 % atidarytai droselinei sklendei CO emisija sumažėjo apie 46 %, o sklendę atidarius iki 80 % stebimas CO mažėjimas apie 30 %. Šiam rezultatui didžiausią įtaką padarė didesnė gamtinių dujų degimo temperatūra, lyginant su benzino garais. CO 2 emisija taip pat stebima mažesnė varikliui dirbant gamtinėmis dujomis. Esant 50 % atidarytai droselinei sklendei CO 2 emisija sumažėjo apie 31 %, o sklendę atidarius iki 80 % stebimas CO 2 mažėjimas apie 35 %. Šį rezultatą lėmė mažesnis anglies kiekis gamtinėse dujose. Didėjant variklio sūkiams, CO 2 emisija didėja pav. HC ir O 2 emisijos matavimo rezultatai (Tahir et al. 2010) 2.11 pav. matyti, jog benziną pakeitus gamtinėmis dujomis, HC emisija sumažėjo. Šiam parametrui didžiausią įtaką daro mažesnė gamtinių dujų molekulinė masė (16,04), lyginant su benzininiais degalais (114). Esant 50 % atidarytai droselinei sklendei HC emisija sumažėjo apie 22 %, o sklendę atidarius iki 80 % stebimas CO mažėjimas apie 30 %. Didžiausia O 2 koncentracija stebima esant mažiems variklio sūkiams. Esant 50 % atidarytai droselinei sklendei 27

28 O 2 koncentracija sumažėjo apie 73 %, o sklendę atidarius iki 80 % stebimas O 2 mažėjimas apie 64 %. Bendrai aptariant tyrimo rezultatus galima teigti, jog suslėgtos gamtinės dujos tinkama alternatyva benzininiams degalams. 28

29 3. Eksperimentinių tyrimų metodika Suslėgtų gamtinių dujų panaudojimo benzininiame vidaus degimo variklyje tyrimai yra atlikti naudojant vidaus degimo variklių laboratorinių tyrimų įrangą, kurios schema pateikta 3.1 pav. Tyrimų įranga susideda iš sūkurinių srovių apkrovos stendo, sumontuoto kartu su benzininiu vidaus degimo varikliu, suslėgtų gamtinių dujų įrangos ir įrangos deginių sudėčiai bei degalų sąnaudoms matuoti. 3.1 pav. Laboratorinio tyrimo įrangos schema: 1 KU variklis Nissan HR16DE; 2 variklio apkrovos stendas AUTOMEX AMX 200/200; 3 apkrovos stendo elektroninio valdymo blokas; 4 slėgio cilindre fiksavimo įranga AVL DiTEST DPM 800; 5 variklio elektroninio valdymo blokas MoTeC M800; 6 droselio valdymo servovariklis; 7 benzino purkštuvas; 8 uždegimo žvakė su integruotu slėgio jutikliu AVL ZI31; 9 deguonies jutiklis; 10 alkūninio veleno padėties jutiklis; 11 išmetamųjų deginių temperatūros jutiklis; 12 oro masės matuoklis; 13 asmeninis kompiuteris; 14 suslėgtų gamtinių dujų įranga; 15 suslėgtų gamtinių dujų purkštuvas; 16 benzino sąnaudų matavimo įrenginys AMX 212F; 17 išmetamųjų dujų analizatorius OPUS 40D Pirmąja pozicija pažymėtas benzininis vidaus degimo variklis HR16DE. Variklio valdymas bei programavimas atliekamas su elektroniniu valdymo bloku 5 MoTeC M800. Prisijungimas prie MoTeC M800 valdymo bloko vyksta per asmeninį kompiuterį 13. Variklis sujungtas su sūkurinių srovių stabdžiu (apkrovos stendu) 2 AUTOMEX AMX 200/200. Apkrovos stendą valdo valdymo blokas 3 AMX 210. Prie valdymo bloko AMX 210 yra prijungtas degalų sąnaudų matuoklis 16. Degalų sąnaudos nustatomos svėrimo būdu, į matavimo talpą telpa 800 ml degalų. Suslėgtos gamtinės dujos į variklį tiekiamos per įsiurbimo kolektorių. Deginių 29

30 sudėčiai išmetamosiose dujose matuoti naudojamas deginių analizatorius 17 OPUS 40D. Slėgiui cilindre matuoti vietoje standartinės uždegimo žvakės yra sumontuota speciali uždegimo žvakė, kurioje integruotas pjezo kristalo jutiklis 8 AVL ZI31. Slėgio duomenų registravimas atliktas AVL DiTEST DPM 800 programine įranga Benzininis vidaus degimo variklis Tyrimams atlikti naudojamas benzininis automobilio Nissan Qashqai HR16DE vidaus degimo variklis (3.1 lentelė). Variklis yra sujungtas su programuojamu valdymo bloku MoTeC M800. Šio variklio techniniai duomenys pateikti 3.1 lentelėje, o bendras vaizdas 3.2 pav. 3.2 pav. Variklis HR16DE ir sūkurinių srovių variklių apkrovos stendas AUTOMEX AMX 200/ lentelė. Variklio HR16DE techniniai duomenys Parametras Dydis Cilindrų skaičius 4 Cilindro skersmuo, mm 78 Stūmoklio eiga, mm 83,6 Darbinis tūris, cm Nominalioji galia, kw 84 Maksimalus variklio sukimo momentas, Nm 156 Suslėgimo laipsnis 10,7 Cilindro vožtuvų skaičius 4 30

31 Cilindrų išsidėstymas Aušinimo sistema 3.1 lentelės pabaiga eilėje skystinė 3.2. Variklio elektroninis valdymo modulis Nissan Qashqai HR16DE variklio valdymas bei programavimas atliekamas su elektroniniu valdymo bloku MoTeC M800. Tai yra variklių valdymo modulis, kuris daugiausia naudojamas profesionaliame automobilių sporte. MoTeC M800 turi integruotas valdymo sistemas varikliams iki 12 cilindrų, įskaitant ir rotorinius variklius, taip pat tobulą variklių darbo procesų registravimo sistemą. Pagrindinės išsiskiriančios šio valdymo bloko savybės gali kontroliuoti dujų skirstymo velenų padėtį, purkštukų atsidarymo laiką, degalų įpurškimo momentą, uždegimo kibirkšties momentą, taip pat valdyti turbokompresorinius variklius. Prisijungimas prie MoTeC M800 valdymo bloko vyksta per asmeninį kompiuterį Variklio apkrovos stendas Benzininis HR16DE variklis yra sujungtas su sūkurinių srovių variklių apkrovos stendu AUTOMEX AMX 200/200 (3.2 lentelė). Vidaus degimo variklis su stendu sujungtas betarpiškai (be pavarų dėžės), velenu, kurio abiejuose galuose yra lygių kampinių greičių lankstai. Šis variklių bandymų stendas yra universalus, veikiantis iki aps/min sūkių režimu, t. y. šiuo sūkių režimu variklį galima apkrauti. Šio tipo stendas neturi galimybės sukti variklio, t. y. negali veikti kaip paleidimo variklis ar prietaisas variklio mechaniniams nuostoliams nustatyti. Sukimo momentas matuojamas dinamometriniu būdu, atsiradus apkrovai slegiamas tenzo jutiklis, iš kurio duomenys perduodami į pagrindinį stendo valdymo bloką. 3.2 lentelė. Variklio apkrovos stendo AUTOMEX AMX 200/200 techniniai duomenys Veikimo principas Elektromagnetinis sūkurinis stabdys Maksimalus sukimosi greitis aps/min Maksimali apkrova 480 Nm Maksimali stabdymo galia 200 kw Tikslumas ± 0,9 Nm 31

32 3.4. Išmetamųjų dujų emisijos matavimo įranga Išmetamųjų dujų sudėties analizei naudojamas deginių analizatorius OPUS 40D (3.3 lentelė). Toks analizatorius parodo išmetamų CO, CO 2, HC, NO x koncentracijas išmetamosiose dujose ir oro pertekliaus koeficientą λ, išvesdamas jų reikšmes į ekraną. Panaudojant analizatoriaus duomenis yra nubraižomi grafikai, kuriuose matyti išmetamų deginių priklausomybė nuo variklio veikimo režimų, uždegimo paskubos kampo, degalų ir pan. 3.3 lentelė. Deginių analizatoriaus OPUS 40D matuojami parametrai Išmetamųjų dujų rūšis Matavimo ribos Tikslumas Azoto oksidai (NO x ) ppm ± 25 ppm Angliavandeniliai (CH) ppm ± 4 ppm Anglies monoksidas (CO) % ± 0,02 % Anglies dioksidas (CO 2 ) % ± 0,3 % Deguonis (O 2 ) 0 25 % ± 0,1 % Oro pertekliaus koeficientas (λ) 0,6...1,7 ± 0, Vidaus degimo variklio indikatorinio slėgio matavimo įrenginys Bandymams atlikti vietoje standartinės uždegimo žvakės yra sumontuota speciali uždegimo žvakė, kurioje integruotas pjezo kristalo jutiklis AVL ZI31. Duomenų registravimas atliekamas su AVL DiTEST DPM 800 programine įranga. AVL ZI31 jutiklis leidžia betarpiškai matuoti slėgį degimo kameroje, ir papildomai gali išmatuoti alkūninio veleno padėtį Dujų masės matuoklis Eksperimentams naudojamame Nissan Qashqai HR16DE variklyje papildomai sumontuotas RHEONIK RHM015 gamtinių dujų masės matuoklis, kurio pagalba fiksuojama dujų masė Q m, patenkanti į variklio cilindrus. Dujų masė nustatoma priklausomai nuo iš matuoklio išeinančios įtampos U. 32

33 3.7. Išmetamųjų dujų temperatūros matavimo įranga Išmetamųjų dujų temperatūrai matuoti bandymo metu naudojama K tipo termopora. Tai labiausiai paplitęs temperatūros jutiklis, kuris turi trumpą suveikimo laiką ir naudojamas plačiame temperatūros diapazone (-50 C C) Suslėgtų gamtinių dujų įranga Eksperimentiniams tyrimams atlikti pasirinkta italų gamybos suslėgtų gamtinių dujų įranga Tomasetto. Šio tipo dujų įranga yra priskiriama Common Rail degalų tiekimo sistemai, t. y. kai suslėgtos gamtinės dujos yra tiekiamos į degalų rampą, kuri aprūpina kiekvieną purkštuvą į įsiurbimo kolektorių purškiamais degalais. 3.3 pav. Suslėgtų gamtinių dujų įrangos schema: 1 vidaus degimo variklio valdymo blokas; 2 suslėgtų gamtinių dujų įrangos valdymo blokas; 3 asmeninis kompiuteris; 4 benzino/dujų jungiklis; 5 gamtinių dujų filtras; 6 gamtinių dujų rezervuaro uždarymo vožtuvas; 7 gamtinių dujų masės matuoklis; 8 gamtinių dujų balionas; 9 dujų pripildymo atvamzdis; 10 dujų reduktorius; 11 slėgio įsiurbimo kolektoriuje ir degalų rampoje jutiklių blokas; 12 gamtinių dujų rampa su purkštuvais 33

34 3.3 pav. pavaizduota suslėgtų gamtinių dujų įrangos schema. Aštuntąja pozicija yra pažymėtas suslėgtų gamtinių dujų balionas, kuriame esant iki 250 bar slėgiui yra laikomos dujos. Prie dujų baliono yra pritvirtintas dujų rezervuaro uždarymo vožtuvas 6. Į balioną dujos yra pripildomos per specialų pripildymo atvamzdį 9. Septintąja pozicija pažymėtas suslėgtų gamtinių dujų slėgio jutiklis, kuris sujungtas su gamtinių dujų reduktoriumi 10. Slėgio jutiklis fiksuoja iš dujų baliono tiekiamų dujų slėgį, ir duomenis perduoda gamtinių dujų įrangos valdymo blokui 2. Gamtinių dujų valdymo blokas visus turimus duomenis perduoda pagrindiniam vidaus degimo variklio valdymo blokui 1. Penktąja pozicija pažymėtas gamtinių dujų filtras, per kurį dujos paduodamos į gamtinių dujų rampą su purkštuvais 12. Vienuolikta pozicija pažymėtas slėgio įsiurbimo kolektoriuje ir degalų rampoje jutiklių blokas. Šis prietasas matuoja slėgį variklio įsiurbimo kolektoriuje ir informaciją siunčia gamtinių dujų valdymo blokui. Priklausomai nuo slėgio įsiurbimo kolektoriuje, dujų reduktorius gavęs signalą iš valdymo bloko, atitinkamai reguliuoja gamtinių dujų įpurškimo slėgį. Ketvirtąja pozicija schemoje pažymėtas benzino/dujų jungiklis, 3 asmeninis kompiuteris Tyrimų metodika Pagrindinis eksperimentinių tyrimų tikslas atlikti benzininio variklio, veikiančio naudojant suslėgtas gamtines dujas, bandymus ir jų metu nustatyti dujinių degalų įtaką variklio energetiniams bei ekologiniams rodikliams. Taip pat atlikti ekonominius dujų panaudojimo automobilyje skaičiavimus ir įvertinti jų atsiperkamumą. Eksperimentiniai bandymai yra atlikti Vilniaus Gedimino technikos universitete, Transporto inžinerijos fakultete, Automobilių transporto katedroje, vidaus degimo variklių laboratorijoje. Tyrimams naudojama suslėgtų gamtinių dujų įranga turi programuojamą valdymo bloką, kuris veikia nepriklausomai nuo vidaus degimo variklio valdymo bloko. Šis pranašumas leidžia skirtingais kiekiais įpurkšti dujas į siurbimo traktą. Įpurškiamų dujų kiekis reguliuojamas purkštukų atidarymo trukme. Atliekant eksperimentą, kiekvieno bandymo metu variklio valdymo blokas MoTec M800 yra programuojamas, t. y. atliekama įpurškiamų degalų kiekio korekcija. Benzino purkštuvų išpurškiamo degalų kiekio programos valdymo langas pateiktas 3.4 pav. Šiame lange matomas degalų kiekio įpurškimo žemėlapis priklausomai nuo droselinės sklendės padėties ir nuo variklio sūkių. Lango viršutinėje kairėje pusėje matomi variklio darbo parametrai: sūkiai, slėgis įsiurbimo kolektoriuje, įsiurbiamo oro temperatūra, degiojo mišinio sudėtis. Degiojo mišinio sudėtis, atliekant tyrimą, yra prilyginama stechiometriniam (λ = 1). 34

35 3.4 pav. Variklio darbo valdymo žemėlapis Tyrimai atliekami dviem etapais pirmiausia variklio energetiniai ir ekologiniai rodikliai yra fiksuojami varikliui dirbant benzinu, o paskui suslėgtomis gamtinėmis dujomis. Bandymai atliekami varikliui dirbant skirtingais sūkiais: 1500 aps/min; 2500 aps/min; 3500 aps/min. Šie sūkiai yra aktualiausi, kadangi tai yra vidutiniai sūkiai, kuriais variklis dirba važiuojant miesto režimu. O būtent miestuose ir yra išmetami didžiausi kenksmingųjų dalelių kiekiai. Gamtinės dujos turi savybę ilgiau degti, lyginant su benzinu. Todėl norint nustatyti geriausius variklio rodiklius reikia parinkti optimaliausią uždegimo paskubos kampą. Atliekant bandymus variklis dirbo prie šių uždegimo paskubos kampų: -36 AV; -34 AV; -32 AV; -30 AV; -28 AV; -26 AV; -24 AV; -22 AV; -20 AV; -18 AV; -16 AV; -14 AV. Prie kiekvieno uždegimo paskubos kampo variklio energetiniai ir ekologiniai rodikliai yra fiksuojami po 10 kartų ir apskaičiuojami nagrinėjamų parametrų vidurkiai. Toks duomenų fiksavimas vyksta prie kiekvienų anksčiau minėtų sūkių. Variklis bandomas esant 15 % atidarytai droselinei sklendei. Panaudojant filmavimo įrangą kompiuterio ekrane matome dujų masės matuoklio, deginių analizatoriaus ir išmetamųjų dujų temperatūros jutiklio rodmenis (3.5 pav.). 35

36 3.5 pav. Dujų masės matuoklio, deginių analizatoriaus ir išmetamųjų dujų temperatūros jutiklių rodmenys 36

37 CO (%) CO (%) 4. Eksperimento rezultatai 4.1. Ekologiniai rodikliai (išmetamųjų dujų emisija) Išmetamųjų dujų emisijos anglies monoksido (CO) rodikliai (4.1 pav.): 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 n=1500 aps/min Benzinas CNG 0, Uždegimo paskubos kampas ( AV) 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 n=2500 aps/min Benzinas CNG 0, Uždegimo paskubos kampas ( AV) 37

38 CO 2 (%) CO (%) 0,60 0,55 0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 0,25 n=3500 aps/min Benzinas CNG 0, Uždegimo paskubos kampas ( AV) 4.1 pav. Anglies monoksido (CO) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo Iš 4.1 pav. matyti, jog anglies monoksido (CO) emisija pastebimai (iki ~50 %) sumažėjo. Mažėjimą lemia trumpesnė suslėgtų gamtinių dujų molekulinė grandinė lyginant su benzininiais degalais (įvyksta pilnesnis degimas). Didžiausias skirtumas tarp kreivių pastebimas varikliui dirbant 1500 aps/min sūkiais, o mažiausias dirbant 2500 aps/min. Nustatyta, jog varikliui dirbant 1500 aps/min sūkiais optimaliausias uždegimo paskubos kampas benzininiams degalams yra -22 AV, o dujoms -20 AV. Esant 2500 aps/min sūkiams mažiausia CO emisija varikliui dirbant benzinu stebima uždegimo paskubos kampui esant -19 AV, o dirbant dujomis -18 AV. Kai variklio sūkiai yra 3500 aps/min mažiausias CO kiekis dirbant benzinu išmetamas esant -20 AV uždegimo paskubos kampui, o dirbant dujomis esant -17 AV. Išmetamųjų dujų emisijos anglies dioksido (CO 2 ) rodikliai (4.2 pav.): Benzinas 7 6 n=1500 aps/min CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) 38

39 CO 2 (%) CO 2 (%) Benzinas 7 6 n=2500 aps/min CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) Benzinas 7 n=3500 aps/min CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) 4.2 pav. Anglies dioksido (CO 2 ) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo 4.2 pav. matyti, jog pakeitus degalų rūšį iš benzino į gamtines dujas, anglies dioksido (CO 2 ) emisija sumažėjo iki ~27 %. Taip atsitiko dėl mažesnio anglies kiekio suslėgtose gamtinėse dujose (C/H santykio), lyginant su benzininiais degalais. CO 2 emisijos mažėjimas stebimas nepriklausomai nuo to, koks yra uždegimo paskubos kampas. Skirtumas tarp kreivių beveik nepriklauso nuo to, kokiais sūkiais dirba variklis. 39

40 CH (ppm) CH (ppm) CH (ppm) Išmetamųjų dujų emisijos angliavandenilių (CH) rodikliai (4.3 pav.): n=1500 aps/min Benzinas CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) n=2500 aps/min Benzinas CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) n=3500 aps/min Benzinas 80 CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) 4.3 pav. Angliavandenilių (CH) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo 40

41 NOx (ppm) Iš 4.3 pav. matoma, jog benziną pakeitus gamtinėmis dujomis angliavandenilių (CH) emisija pastebimai (iki ~45 %) sumažėjo. CH mažėjimą lemia trumpesnė degalų angliavandenilių grandinė suslėgtose gamtinėse dujose (lengviau reaguoja ir geriau sudega). Didžiausias skirtumas tarp kreivių pastebimas varikliui dirbant 1500 aps/min sūkiais, o mažiausias sūkiams esant 3500 aps/min. Ištirta, jog varikliui dirbant tiek benzinu, tiek gamtinėmis dujomis, sūkiams esant 1500 aps/min, mažiausias kiekis angliavandenilių yra išmetamas uždegimo paskubos kampui esant -14 AV, o didžiausias esant -34 AV. Kai sūkiai yra 2500 aps/min, optimalus uždegimo paskubos kampas tiek benzinui tiek gamtinėms dujoms yra -33 AV. Sūkiams esant 3500 aps/min, mažiausias CH kiekis varikliui dirbant benzinu išmetamas paskubos kampui esant -14 AV, o dirbant dujomis -16 AV Abiejų degalų rūšių priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo yra artima tiesinei ir mažėja mažinant paskubos kampą, tačiau pastebėta, kad paskubos kampui esant mažesniam už -24 AV, CH emisija dirbant gamtinėmis dujomis mažėja lėčiau negu esant didesniems kampams. Išmetamųjų dujų emisijos azoto oksidų (NO x ) rodikliai (4.4 pav.): n=1500 aps/min Benzinas CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) 41

42 NOx (ppm) NOx (ppm) n=2500 aps/min Benzinas CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) n=3500 aps/min Benzinas CNG Uždegimo paskubos kampas ( AV) 4.4 pav. Azoto oksidų (NO x ) kiekio deginiuose priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo 4.4 pav. matyti, jog benziną pakeitus gamtinėmis dujomis azoto oksidų (NO x ) emisija taip pat (iki ~37 %) sumažėjo. Taip yra dėl žemesnės suslėgtų gamtinių dujų degimo temperatūros (dujos turi savybę lėčiau degti). Varikliui dirbant tiek benzinu, tiek suslėgtomis gamtinėmis dujomis, nepriklausomai nuo to, kokiais sūkiais dirba variklis, mažiausias kiekis azoto oksidų yra išmetamas esant uždegimo paskubos kampui -14 AV, o didžiausias esant -36 AV. Didžiausias skirtumas tarp kreivių tirtame sūkių diapazone pastebimas varikliui dirbant 1500 aps/min sūkiais, o mažiausias dirbant 3500 aps/min. Kaip ir CH emisijos atveju, abiejų degalų rūšių priklausomybė nuo uždegimo paskubos kampo taip pat yra artima tiesinei ir mažėja mažinant paskubos kampą, tačiau šiuo atveju paskubos kampui esant mažesniam už -24 AV, NO x emisija varikliui dirbant gamtinėmis dujomis mažėja intensyviau negu esant didesniems kampams. 42