Šiuolaikiniai automobilių gamintojai susiduria su vis griežtesniais taršos reikalavimais, ypač kalbant apie azoto oksidus (NOx), kurie daro didelę įtaką oro kokybei ir aplinkos sveikatai. Anksčiau būdavo manoma, kad didelis variklio galingumas beveik visada reiškia ir aukštą NOx emisijų lygį, tačiau turbokompresorių vystymas bei moderni variklių valdymo elektronika leido šią paradigmą keisti iš esmės. Ar iš tiesų turbininis variklis gali padėti mažinti azoto oksidus, ar priešingai – didina riziką? Šiame straipsnyje aptarsime, kaip turbina veikia NOx formavimąsi, kokie mechanizmai pasitelkiami NOx kontrolei, ir kokią įtaką tai daro transporto sektoriaus ateičiai.
NOx – bendras terminas, apimantis įvairius azoto oksidų junginius, tokius kaip NO (azoto monoksidas) ir NO2 (azoto dioksidas). Transporto priemonių išmetamosios dujos dažniausiai pasižymi didesniu NO ir mažesniu NO2 kiekiu, tačiau atmosferoje NO gali oksiduotis į NO2. Šios dujos prisideda prie rūgštųjų kritulių, smogo susidarymo, kenkia kvėpavimo takams bei aplinkosauginiam balansui. Todėl NOx kiekio mažinimas yra vienas iš prioritetų, keliamų automobilių gamintojams tiek ES, tiek JAV bei kitose pasaulio rinkose.
Azoto oksidai susidaro degimo kameroje, kai deguonis ir azotas reaguoja esant aukštai temperatūrai ir slėgiui. Kuo karštesnis bei intensyvesnis degimas, tuo didesnė tikimybė susidaryti NOx. Kadangi turbokompresorius padidina slėgį bei tiekiamo oro kiekį, degimo procesas gali tapti efektyvesnis, bet sykiu ir karštesnis. Tačiau tai nereiškia, kad automatiškai išauga NOx lygis – šiuolaikiniai inžineriniai sprendimai leidžia valdyti degimo temperatūrą, išlaikant aukštus galios rodiklius ir nedidinant NOx formavimosi.
Tradiciškai manyta, kad didelės galios varikliai, veikdami aukštomis temperatūromis, sukels daugiau NOx. Visgi, turbokompresorius, nors ir padidina oro kiekį bei degimo temperatūrą, kartu leidžia trumpiau išlaikyti degimo liepsną aukštame temperatūros taške. Be to, naujos kartos variklių valdymo sistemos gali parinkti tokį degalų įpurškimo ir uždegimo laiką, kad NOx susidarymas būtų minimalus. Tad vietoje vienkartinio, intensyvaus „karščio piko“ degimo kamera dirba dinamiškiau ir tolygiau, taip pažabodama azoto oksidų generaciją.
Įsiurbiamo oro vėsinimas – vienas pagrindinių faktorių, leidžiančių turbininiams varikliams valdyti NOx emisijas. Intercooler, montuojamas tarp kompresoriaus ir variklio įsiurbimo sistemos, aušina suslėgtą orą, taip mažindamas jo temperatūrą ir didesnę degimo kameroje galinčią susidaryti degimo šilumą. Kuo vėsesnis oras pasiekia cilindrus, tuo mažesnė degimo temperatūra piko momentu, ir tuo mažesnė NOx susidarymo tikimybė. Tai ypač svarbu esant didelėms apkrovoms – pavyzdžiui, važiuojant dideliu greičiu magistralėje arba staigiai kylant įkalnėmis.
Daugybėje šiuolaikinių turbininių variklių naudojamos EGR sistemos (angl. Exhaust Gas Recirculation), kurios dalį išmetamųjų dujų grąžina atgal į įsiurbimo kamerą. Dėl to degimo kamera „praskiedžiama“ inertiškais dujų komponentais, mažėja liepsnos temperatūra, o NOx formavimasis slopinamas. Kartu su intercooler ir tikslia valdymo elektronika EGR sistema leidžia neprarasti didelės galios, nedidinant azoto oksidų emisijų. Derinant su kintamos geometrijos turbina, EGR vožtuvo atsidarymas bei išmetamųjų dujų cirkuliacija gali būti itin tiksliai reguliuojama, reaguojant į realią variklio apkrovą.
Kintamos geometrijos turbinose (angl. Variable Geometry Turbo arba VGT) naudojami reguliuojami sparneliai, keičiantys išmetamųjų dujų srauto kampą. Taip užtikrinamas optimalus turbokompresoriaus darbas plačiame sūkių diapazone. Vienas iš netiesioginių privalumų – galimybė efektyviau valdyti degimo kamerą, išlaikant tinkamą EGR veikimą ir išvengiant per didelio aukštos temperatūros režimo. Rezultatas – mažiau NOx, nes variklis ilgiau išlieka „komfortinėje“ sūkių bei temperatūros zonoje, nedarydamas staigių temperatūrinių pikų.
Modernios turbininės sistemos neapsiriboja tik oru – jos taip pat itin preciziškai dozuoja degalus. Benzininiuose varikliuose dažnai naudojamas tiesioginis įpurškimas, kuris leidžia sukurti taisyklingą, optimalų kuro ir deguonies balansą. Jei šis balansas idealus, degimo temperatūra, nors ir aukšta, nepasiekia ekstremalių lygių, skatinančių intensyvų NOx formavimąsi. Dyzeliniuose varikliuose prie turbokompresoriaus prijungiami aukšto slėgio „common rail“ purkštukai, galintys reguliuoti degalų įpurškimo trukmę, intensyvumą ir net purškimą keliomis fazėmis, taip dar labiau slopinant per didelį temperatūros piką.
Vien tik variklio vidaus procesų tobulinimas ne visada pakankamas, kad išmetamoje sraute NOx būtų pakankamai mažai. Čia į pagalbą ateina SCR (angl. Selective Catalytic Reduction) sistemos, naudojančios AdBlue (arba DEF – Diesel Exhaust Fluid), kuris reaguoja su azoto oksidais ir paverčia juos nekenksmingais azotu (N2) bei vandeniu (H2O). Svarbu pabrėžti, kad turbokompresoriaus efektyvumas reguliuojant degimo procesą lemia, kiek intensyviai dirba SCR katalizatorius, ir kaip greitai jis užsiteršia. Kuo sklandžiau veikia turbina ir EGR, tuo mažiau darbo lieka postapdorojimo įrenginiams.
Nors NOx ir kietųjų dalelių (angl. particulate matter) emisijos yra skirtingi teršalai, jų valdymas turi bendrų sąlyčio taškų. Modernūs turbininiai dyzeliniai varikliai turi DPF filtrą (angl. Diesel Particulate Filter) ir SCR sistemą. Tinkamas turbosistemos slėgis, teisingai parinktas degimo režimas bei pakankama EGR veikla gali sumažinti tiek NOx susidarymą, tiek suodžių išmetimą, kas leis DPF filtrui dirbti rečiau ir efektyviau. Taigi, turbina, veikdama išvien su išmetamųjų dujų apdorojimo įrenginiais, padeda vienu metu spręsti kelias taršos problemas.
Elektrifikuotos arba hibridinės turbinos, kuriose elektra varomas kompresorius padeda kompensuoti vadinamąjį turbokordo efektą (turbolagą) žemose apsukose, leidžia išvengti staigaus temperatūros šuolio degimo kameroje. Be to, elektronikos valdomi kompresoriai suteikia platesnes galimybes koreguoti oro srautą, reaguojant į momentinę situaciją. Tikėtina, kad ateityje šis sprendimas bus dar labiau ištobulintas, leisdamas varikliui maksimaliai išnaudoti auštos technologijos turbiną, bet ribojant NOx bei kitų teršalų susidarymą.
Paprastai – kuo daugiau deguonies, tuo intensyvesnė liepsna, o tai skatina NOx formavimąsi. Tačiau modernus turbininis variklis nėra paprastas „deguonies šaltinis“ be jokios kontrolės. Tiksli kuro dozuotė, intercooler aušinimas, EGR valdymas ir kintamos geometrijos turbina drauge kuria lankstų degimo modelį. Tai reiškia, kad net jei slėgis aukštas, degimas gali vykti gana žemoje temperatūroje pikinių intervalų atžvilgiu. Taip išvengiama didelio NOx šuolio, išlaikant puikią variklio galią ir efektyvumą.
Nepamirškime, kad vairavimo stilius lemia nemažą dalį generuojamų teršalų. Pernelyg agresyvus akseleravimas, per dažni staigūs sūkių šuoliai verčia variklį dirbti artimame ribiniame temperatūros diapazone, galinčiame skatinti NOx susidarymą. Atvirkščiai – tolygus greitėjimas, laiku perjungiamos pavaros (ypač benzininiuose varikliuose) ir reguliarūs techninės priežiūros darbai užtikrina, kad tiek EGR, tiek intercooler, tiek pati turbina funkcionuos optimaliai, neleisdami azoto oksidams sparčiai daugintis.
Kad turbokompresorius ir susijusios sistemos sėkmingai kovotų su NOx emisijomis, būtina skirti dėmesį reguliariai techninei apžiūrai. Kelios esminės sritys:
Turbokompresoriaus esmė – padidinti variklio galią bei efektyvumą iš nedidelės kubatūros, tačiau kartu būtina išlaikyti išmetamųjų dujų švarą. Nors didelis oro srautas gali didinti liepsnos temperatūrą, modernios inžinerinės priemonės, tokios kaip intercooler, EGR sistemos, kintamos geometrijos turbinos bei SCR katalizatoriai, leidžia pažaboti NOx lygį, neatsisakant dynamikos. Tiksli kuro/oro santykio kontrolė, down-sizing koncepcija ir hibridinės jėgos pavaros dar labiau praplečia turbininės technologijos pritaikomumą, išlaikant žemas emisijas. Daug kas priklauso ir nuo paties vairuotojo: sklandus, tolygus važiavimas bei reguliarūs aptarnavimo darbai užtikrina, kad net ir galingi turbininiai agregatai galėtų tenkinti griežtus NOx ribojimus. Tai reiškia, jog turbokompresorius išlieka aktualus ir ateityje, kai globalus tikslas – mažinti tiek CO₂, tiek azoto oksidų emisijas – tampa svarbesnis nei bet kada. Subalansavus šiuos taršos aspektus su kasdiene automobilio eksploatacija, gauname unikalią kombinaciją – galingą, tačiau santykinai ekologišką vidaus degimo variklį, kuris dar kurį laiką išliks patikimu susisiekimo bei transporto pagrindu.