Kodėl technikai tobulėjant vis dar renkamės senąsias technologijas?

Pastaruosius dešimtmečius pagrindinius pokyčius variklių gamybos technologijose daugiausia lėmė siekis mažinti degalų sąnaudas ir teršalų išmetimą bei pagerinti mašinų eksploatacines savybes. Be to, geriau valdydami variklio veikimą naudodami turbokompresorius, tiesioginio įpurškimo sistemas ir elektroninį valdymą, gamintojai gali pagaminti mažesnį, efektyvesnį variklį su didesnio variklio charakteristikomis.

Tie, kurie seka automobilių rinkos tendencijas, pastebėjo, kad per pastarąjį dešimtmetį gerokai sumažėjo variklių darbo tūris, išliekant tai pačiai ar net didesnei variklio galiai. Tokie pat pokyčiai neišvengiamai palietė ir traktorių bei kitų darbo mašinų sektorių, tarp jų – ir mažos galios (iki 50 AG) traktorius. Jiems (beje, kaip ir didesnės galios traktoriams) gamintojai pradėjo naudoti 3 cilindrų variklius vietoje 4 cilindrų variklių. Šių naujų variklių išleidimas buvo sutiktas su dideliais lūkesčiais, bet kartu ir su tam tikru nuogąstavimu.

Dauguma žmonių cilindrų skaičių sieja su variklio galia, o paprastai kalbant, daugiau cilindrų reiškia daugiau galios. Taigi, atrodo, kad technikos savininkai ir operatoriai linkę rinktis didesnius variklius, manydami, kad didesnis variklis visada turės daugiau galios. Tačiau, priešingai populiariems įsitikinimams, cilindrų skaičius neatlieka darbo. Jį atlieka sukimo momentas, o ne cilindrų skaičius!

Fizikoje sukimo momentas apibrėžiamas kaip jėgos poveikis pasukti objektą apie ašį. Kalbant apie dyzelinį variklį, sukimo momentas yra sukimo jėgos, kurią variklis gali perduoti kitam objektui, pavyzdžiui, transmisijai, matas. Didesnis variklio sukimo momentas reiškia didesnę traukos jėgą ties ratais arba didesnį galios tiekimo veleno sukimo momentą, įgalinantį sukti sunkesnį agregatą.

Sukimo momentas, o ne cilindrų skaičius, yra pagrindinis ingredientas nustatant variklio gebėjimą atlikti darbą. Kadangi variklių technologijų pažanga pagerina galią ir našumą, varikliai su mažiau cilindrų ir mažesniu darbiniu tūriu gali būti gaminami tokių pat ar net geresnių eksploatacinių charakteristikų nei palyginami didesni varikliai. Pateiktuose paveiksluose matome, kad analogiškos galios 4 ir 3 cilindrų variklių galios ir sukimo momento charakteristikos iš esmės nesiskiria.

Variklių technologinę pažangą skatina ir griežtėjantys reikalavimai deginių emisijai bei siekis mažinti šiltnamio efektą skatinančių dujų (anglies dioksido) emisiją. Iki 2019 m. traktorių varikliams nuo 19 kW (26 AG) iki 37 kW (50 AG) galios galiojo IIIA etapo deginių toksiškumo normos. Nuo 2019 m. pradėtos įvesti V etapo normos įsigaliojo ir šiems varikliams, peršokant IIIB ir IV etapo normas. Leidžiama anglies monoksido (CO) emisija sumažėjo nuo 5,5 g/kWh iki 5 g/kWh, suminė angliavandenilių ir azoto oksidų emisija (CH + NOx) – nuo 7,5 g/kWh iki 4,7 g/kWh. Labiausiai sumažinta leidžiama kietųjų dalelių emisija – nuo 0,6 g/kWh iki 0,015 g/kWh. Be to, įvestas kietųjų dalelių skaičiaus ribojimas – jų gali būti ne daugiau kaip 1 × 10¹²/ g/kWh. Šio ribos yra tokios pat, kaip ir didesnės galios varikliams nustatytos ribos.

3 cilindrų variklio pranašumai prieš 4 cilindrų variklį

• Kompaktiškas dydis – mažesnį variklį lengviau sumontuoti traktoriaus rėme. Dėl mažo dydžio po gaubtu lieka daugiau vietos priedams ir išmetamųjų teršalų kontrolės įtaisams. Gaubtas gali būti stačiai pasviręs, kad būtų pagerintas matomumas į priekį iš traktoriaus kabinos.
• Paprasta ir patikima – mažiau komponentų ir judančių dalių užtikrina didesnį patikimumą.
• Mažesnės degalų sąnaudos – mažesni komponentai ir mažesnė vidinė trintis mažina degalų sąnaudas, ypač esant dalinei apkrovai, kuria varikliai paprastai dirba didžiąją savo eksploatavimo laiko dalį. Mažesnės degalų sąnaudos reiškia mažesnį išmetamą šiltnamio efektą skatinančių dujų kiekį.
• Mažesnės išlaidos – dėl mažesnio komponentų skaičiaus, mažesnės eksploatavimo ir remonto išlaidos per visą variklio tarnavimo laiką.
• Mažesnis triukšmas – pagerintos variklio triukšmo charakteristikos dėl dažniausiai naudojamo turbokompresoriaus ir modernesnės, elektronikos valdomos degalų įpurškimo sistemos.

Kaip ir kiekviena konstrukcija, 3 cilindrų variklis turi ir trūkumų, palyginus su 4 cilindrų varikliu. 4 cilindrų variklyje darbo taktai vyksta kas 180 (720/4) alkūninio veleno posūkio kampo laipsnių. 3 cilindrų variklyje – kas 240 (720/3) laipsnių. Tai reiškia, kad pastarojo variklio sukimo momento netolygumas bus didesnis. Šį trūkumą gamintojai paprastai sprendžia parinkdami tinkamas besisukančių detalių mases, kurių inercijos momentai sumažina šį netolygumą.

Jei lyginsime šių variklių inercijos jėgų subalansavimą, 4 cilindrų variklyje lieka nesubalansuotos slenkančių masių (stūmoklinės grupės ir švaistiklio) vadinamosios antros eilės inercijos jėgos (jų kitimo greitis dvigubai didesnis už alkūninio veleno sukimosi greitį), sukeliančios variklio vibracijas. 3 cilindrų variklyje visų inercijos jėgų sumos lygios nuliui, tačiau lieka neatveri slenkančių masių inercijos jėgų momentai. Tiek vienu, tiek kitu atveju pilnas subalansavimas galimas įrengiant specialius mechanizmus, tačiau dėl nedidelio jų poveikio, jų dažnai atsisakoma.

Dėl visų šių priežasčių cilindrų skaičius neturėtų būti naudojamas kaip apsprendžiamasis argumentas vertinant lygiaverčius variklius. Turėtų būti žiūrima į svaresnius, esminę reikšmę turinčius aspektus.

Prof. dr. Stasys SLAVINSKAS, VDU Žemės ūkio akademija