POBOLJŠANJE ENERGETSKE EFIKASNOSTI DOMAĆIH TRAKTORSKIH DIZEL MOTORA

R. Gligorijević 1, J. Jevtić 1, Đ. Borak 1, V. Petrović 1 POBOLJŠANJE ENERGETSKE EFIKASNOSTI DOMAĆIH TRAKTORSKIH DIZEL MOTORA Apstrakt: Industrja motora i vozila je glavna pokretačka snaga svetske ekonomije, ali i veliki potrošač energije iz fosilnih goriva.jedan od najvećih potrošača energije iz fosilnih goriva je saobraćajni sektor. Zbog globalizacije nacionalnih ekonomija veoma značajan je porast prevoza u saobraćajnom sektoru, koji će i u narednim dekadama biti jedan od najznačajnijih potrošača energije. Sa tog aspekta smanjenje potrošnje goriva u saobrćaju, veoma je bitno kako sa energetskog aspekta jer se štedi gorivo a time smanjuje zavisnost od uvoza i smanjuje zagađenje životne sredine, tako i sa operativmog aspekta, jer potrošnja goriva čini oko 30% operativne cene vozila. Danas je većina komercijalnih vozila i poljoprivredne mehanizacije na dizel pogon, zato je bitno da ona imaju što bolju energetsku efikasnost. Imajući ovo u vidu kao i činjenicu da su domaći dizel motori za traktore starije konstrukcije i da je njihova energetska efikasnost prilično niska u odnosu na savremene trktorske dizel motore, istraživani su načini poboljšanja energetske efikasnosti ovih motora. Ključne reči: dizel motori, traktori, energetska efikasnost IMPROVEMENT FUEL EFFICIENCY OF DOMESTIC TRACTORS DIESEL ENGINES Abstract: The automotive industry is one of the main force in the World economy, but it is high energy consumer from fossil fuel. One of the highest consumers of energy from fossil fuels is transport sector. Due to globalisation of national economies very significant growth will take place in the transportation sector, which is going to be the most consumers of energy and CO 2 emission as well as pollutant emissions. From this aspect, decrease of fuel consumption in transport sector is very important as from fuel efficiency, because it decrese dependens on fuel import, as well as it reduced.air pollution and greenhouse gas emissions.in nowdays the most of comercial vehicles and agricultural mechanisation have diesel train. For that reason it is very important that this vehicles have good fuel efficiency.from this aspect, it is analysis the means for improvement fuel efficiency of domestic tractors diesel engine,which are older production technology. Key words: efficiency, tractor, diesele engines 1 IMR Institut, Beograd, imrkb@uenet.yu

1. Uvod Karakteristika današnjeg vremena je stalni rast potrošnje (sl.1)[1] i neracionalno trošenje energije. Zbog rasta industrijalizacije, globalizacije i rasta svetske populacije ukupni energetski zahtevi će rasti do 2060 god. Predpostavlja se, da će do 2020 snabdevanje biti pretežno iz konvencionalnih primarnih energetskih izvora: uglja, nafte, prirodnog gasa, nuklearnih i hidro-centrala i tradicionalne biomase-drveta [2]. Transportni sektor je veliki potrošač mineralnih goriva, oko 50%. U transportnom sektoru dizeli troše oko 30% goriva, ili oko 11mil. tona barela/dan u svetu, a očekuje se porast od 2,5% godišnje do 2020 god. Potrošnja dizela i benzina u EU 2004-e bila je 270 mil. tona u odnosu na 180 mil. tona u 1985, a procene su da će dostići 325 mil. tona u 2020 god. Smatra se da transportni sektor u EU emituje 25% gasova zelene bašte. Sl.1. Potrošnja energije u svetu [1] Zato se očekuje postepen prelaz ka sve efikasnijim pogonima (sl.2), a to znači da će nove motorne tehnologije tražiti optimirane vrste goriva sa najboljom energetskom efikasnošću i najnižim emisijama.sve ovo, uz očekivanja da će SUS motori biti dominantni do 2030, kao i toksičnost izduvnih emisija, osobito NOx i PM kod dizela, potencira iznalaženje puteva za smanjenje potrošnje i iznalaženje i korišćenje alternativnih goriva. Konvencionalna fosilna goriva biće u buduće sve čistija (sl.3) u saglasnosti sa sve strožijim zakonskim emisionim propisima. Zbog optimizacije konvencionalnih goriva oćekuje se njihova postepena supstucija (2010 =5,75%; 2015=8%; 2020=15%) sa alternativnim gorivima.

Zbog bolje ekonomičnosti i veće snage, dizel motori su postali dominantan pogon teških vozila i poljoprivredne mehanizacije, pa je i njihovo učešće u potrošnji goriva znatno. Zato je smanjenje potrošnje ovih motora veoma bitno. Sl.2. Diversifikacija pogona u putnom saobraćaju [3] Sl.3. Jedna od diversifikacija budućih goriva i izvora Polazeći od činjenice da su domaći dizel motori starije konstrukcije i proizvodne tehnologije i da je njihova energetska efikasnost znatno ispod one kod dizel motora novije tehnologije, to je u cilju približavanja evropskim normama intenzivirano istraživanje u cilju iznalaženja ekonomski isplativih rešenja koja će doprineti racionalnijoj potrošnji goriva i smanjenju emisija izduvnih gasova.

2. Eksperimentalni podaci Ispitivanje potrošnje goriva izvođeno je na trocilindricnim traktorskim motorima sa indirektnim ubrizgavanjem (Perkins 3.152 M 33/T) i direktnim ubrizgavanjem (Perkins D3.152- DM 33/T). Ovi motori su starije konstrukcije (tehnologije proizvodnje). Kriterijum za izbor ovih motora bili su njihova masovnost u proizvodnji kao i zastupljenost u exploataciji na području Srbije kao i na širem području Balkana. Oni su poredjeni sa evropskim traktorskim motorima, koji se proizvode po savremenijoj tehnologiji. Kriterijum za izbor reprezentativnih evropskih traktorskih motora (V3 i E3) bili su njihova zastupljenost na tržištu, ista klasa sa domaćim izabranim motorima, a pre svega njihove perfomanse (snaga,moment) kao i ispunjavanje evropske zakonske emisione regulative. U tabeli 1 prikazane su tehničke karakteristike motora starije i novije konstrucije. Tabela 1: Uporedne tehničke karakteristike domaćih i inostranih traktorskih dizel motora Motori Naziv M33/T DM33/T V3 E3 karakteristike Sistem ubrizgavanja indirektno direktno direktno direktno Radna zapremina V( lit) 2,5 2,5 2,1 2,33 Broj cilindara u liniji 3 3 3 3 Stepen kompresije ε 17,4:1 16,5:1 18:1 19:1 Prečnik cilindra D (mm) 91,4 91,4 94 94 Hod klipa s ( mm) 127 127 100 112 Nazivna snaga ISO 2288 (KW) 30,2 34,8 35 35 Broj obrtaja n (o/min) 2200 2250 2500 2800 Max.moment M (Nm) 150/1400 163/1800 145/1250 138/1800 Pumpa VP Rotaciona Rotaciona Jedinična Jedinična Litarska snaga (KW/lit) 12,08 13,92 16,7 15,02 Ugao ubrizgav (º pre SMT) 20 20 Pritisak ubrizgavanja (bar) 118 200 230 Sp. potrošja goriva ge(gr/kwh) 258 246 242 225 Iz tabele 1 se vidi da evropski savremeni traktorski dizel motori (V3 i E3) imaju veći stepen kompresije (10-15%), veće pritiske ubrizgavanja(15-30%),manju specifičnu potrošnju, veći prečnik klipa a manji hod, manju radnu i znatno veću (8-19%) litarsku snagu od M33/T i DM33/T dizel motora starije konstrukcije.

Takodje je značajna razlika u opremi za ubrizgavanje. Savremeni evropski motori (V3 i E3) imaju za svaki cilindar posebnu pumpu goriva dok motori starije konstrukcije imaju rotacionu pumpu visokog pritiska. Merenje specificne potrosnje goriva izvodjeno je na probnom stolu a koriscena je direktna metoda. Specifična efektivna potrošnja goriva pretstavljena je dijagramski kao 1. Funkcionalna karakteristika i 2. preko univerzalnog dijagrame, nalaženjem pola ekonomicnosti. 3. Rezultati i diskusija Na slici 4. prikazani su uporedni rezultati ispitivanja funkcionalnih karakteristika na trocilindricnim traktorskim dizel motorima ( M33/T I DM33/T) starije konstrukcije. Sl 4. Uporedni rezultati ispitivanja trocilindričnih dizel motora domaće proizvodnje sa direktnim i indirektnim ubrizgavanjem Uočava se da motori sa direktnim ubrizgavanjem ( DM33) imaju veću snagu oko 15%, a manju specifičnu potrošnju goriva oko 5% iz iste radne zapremine.ove razlike su posledica razlika u konstrukciji ova dva motora. Naime, motor M33/T ima

indirektno ubrizgavanje goriva u vihornu komoru za sagorevanje, koja se nalazi u glavi motora. Brizgaljke imaju po dva otvora, pritisak ubrizgavanja je relativno nizak u odnosu na savremene traktorske dizel motore. a 8 g eo (g/kwh) pe (*10 2 kpa) 7 6 5 4 3 233 2 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 n (o/min) 450 400 340 300 280 260 250 240 235 233 PVP: DPA IPM 408 Broj PVP: MV 029 Brizgaljke: YEE/1 210bar Gorivo: Euro dizel Mot.ulje: S3 SAE30 Br.motora: 22078 Datum: 17.01.2006. Ispitivanje: MOT.ODEL. Teh.obrada: MOT.ODEL. File: ParcijalniDM33_sa_DPA b Sl.5a i 5b.Univerzalni dijagrami specifične efektivne potrošnje goriva motora M33/T i DM33/T Motor DM33/T ima direktno ubrizgavanje goriva u cilindre i znatno veće pritiske ubrizgavanja ( 1,7x), a time i bolju energetsku efikasnost.

Brizgaljke imaju po četiri otvora (0,26 mm), mlaz goriva je duži a to znači i duže izlaganje vazduhu za sagorevanje. Univerzalne dijagrame specifične efektivne potrosnje goriva M33/T I DM33/T dizel motora prikazuje slika 5a i 5b. Zapaža se da polovi potrošnje goriva ova dva motora (M33/T I DM33/T) obuhvataju razlicite oblasti rezima rada.oni su 250g/kWh i 233 g/kwh respektivno, dakle razlika je oko 7%. Pol ekonomičnosti DM33/T motora (233g/kWh), u odnosu na isti M33/T motora (250g/kWh) je pomeren malo udesno i nadole, tako da je na oko 300 o/min. udesno od momenta i na oko 78% od punog opterećenja. Relativno nizak pol ekonomičnosti DM33/T motora pokazuje da kad bi se on preregulisao na deklarisanu snagu M33/T motora 29 kw pri 2000 o/min., umesto 34 kw pri 2250 o/min. (tab. 1) pol potrosnje bi ostao i dalje unutar radne oblasti motora. To praktično znači da bi tako ragulisani motor imao za oko 8% nižu potrošnju goriva za iste izlazne parametre. Međutim, time se nebi znatnije smanjila visoka emisija dima i NOx. S obzirom da je u prethodmim istraživanjima [4,5] zaključeno da su pokazatelji ekonomičnosti - potrošnja goriva i izduvne emisije povoljnije kod motora sa DI, a imajući u vidu tendencije razvoja, izvršeno je optimiranje parametara DM33/T motora sa i bez turbo kompesora i međuhladnjaka vazduha, koji ima direktno ubrizgavanje goriva. Optimizacijom DI motora specifična efektivna potrošnja goriva smanjena je oko 6 % u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 2 % u području deklarisane snage (sl.6) u odnosu na neoptimirani motor, što se jasno vidi poređenjem univerzalnih dijagrama specifične efektivne potrošnje goriva (sl.5b i sl.7). Poređenjem univerzalnih dijagrama proizilazi da je optmiranjem parametara motora pol ekonomičnosti minimalne potrošnje goriva pomeren na nižu vrednost (230 g/kwh) i ka nižim brojevima obrta a većim optrećenjima, tj ka oblasti maksimalnog momenta. Ovo je dosta povoljno sa stanovišta eksplaoatacije traktora, obzirom da isti rade pretežno na ovim režimima, pa će i uticaj optimiranja, odnosno smanjenja specifične potrošnje doći do izražaja. Sa sl.6 i sl. 8 se uočava da THDM 33/T- LP motor tj. motor sa turbokompresorom i međuhladnjakom ima manju specifičnu potrošnju goriva oko 4 % u odnosu na TDM 33/T motor i oko 5 % u odnosu na DM33/T-LP motor.

50 40 Neo (kw) 30 200 190 180 170 160 150 140 Mdo (Nm) 20 10 0 DM33T ug.25 0 TDM33T ug.16 0 THDM33T ug.14 0 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 n (o/min) geo (g/kwh) Sl.6. Performanse optimiranih motora DI motora sa N/A (prirodno punjen), TC (turbo punjen) i THC (turbo punjen sa međuhladnjakom) punjenjem. 260 250 240 230 220 210 9 pe (*10 2 kpa) 8 7 6 5 230 450 400 340 300 280 260 250 240 235 232 4 3 2 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 n (o/min) Sl.7. Univerzalni dijagram specifične efektivne potrošnje motora DM33T-LP

Uporedne karakteristike specifične potrošnje goriva ne optimiranih i optimiranih domaćih traktorskih dizel motora sa prirodnim i turbo punjenjem u odnosu na ekvivalentne savremene evropske motore prikazuje sl.8. Ako se uporede motori sa direktnim ubrizgavanjem starije (DM33/T) i novije konstrukcije (V3 i E 3) vidi se da motor V3 ima oko 2% manju specifičnu potrošnju goriva dok motor E3 ima oko 9,3 manju specifičnu efektivnu potrošnju goriva u odnosu na DM33/T motor. Ove razlike su uglavnom posladica razlika u opremi za ubrizgavanje, pritiska ubrizgavanja i stepena kompresije. To je pokazalo da se na traktorskim dizel motorima starije konstrukcije moraju primeniti rešenja koja ce poboljšati njihovu ekonomicnost s obzirom da je to dugoročni drustveni interes kao i neophodnost uklapanja u evropske norme o potrošnji goriva i emisijama. Treba istaći, da motori savremene konstrukcije (V3 i E3) imaju znatno veću litarsku snagu u odnosu na motore starije konstrukcije, što ukazuje na trend razvoja savremenih motora, a on je povećanje litarske snage uz istovremeno smanjenje specifične potrošnje goriva. Optimizacijom IDI motora, sa aspekta potrošnje goriva, specifična potrošnja goriva smanjena je za 2% u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 10% u području deklarisane snage u odnosu na neoptimirani motor (sl.8). Spec. potr.goriva (gr/kwh 300 290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 1000 1200 1400 1600 1800 n(o/min) Sl. 8. Poređenje specifične potrošnje goriva trocilindričnih dizel motora domaće i strane proizvodnje 2000 2200 2400 M33T DM33T WM3 SAM E3 DM33T-op TDM33T THDM33T 2600 2800

Optimizacijom DI motora, sa aspekta potrošnje goriva, specifična efektivna potrošnja goriva smanjena je oko 6 % u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 2 % u području deklarisane snage u odnosu na neoptimirani motor, što jasno ilustruju dijagrami specifične efektivne potrošnje goriva (sl.8). Sa sl.8 se vidi da je optimizacija DI motora, sa aspekta potrošnje goriva, sa turbokompresorom rezultirala u smanjenju specifične efektivne potrošnje goriva oko 4% u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 3,5 % u području deklarisane snage u odnosu na neoptimirani motor bez turbo kompresora, dok je primena međuhladnjaka na turbopunjenom TDM33/T motoru dovela do smanjena specifične efektivne potrošnje goriva oko 4 % u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ) u odnosu na neoptimirani motor bez turbo kompresora i manju potrošnju oko 5 % u odnosu na DM 33/T-LP motor. 4. Zaključci Na osnovu dobijenih rezultata ispitivanja može se reći: 1. Traktorski motori starije konstrukcije sa direktnim ubrizgavanjem (DM 33/T) imaju oko 5% manju specifičnu potrošnju goriva od dizel motora sa indirektnim ubrizgavanjem (M33/T). 2. Savremeni evropski traktorski dizel motori (V3 i E3) imaju oko 2% i 9,3% respektivno, manju specifičnu potrošnju goriva u odnosu na DM33/T motor starije konstrukcije. 3. Savremeni evropski traktorski dizel motori (V3) imaju približno istu maksimalnu snagu, oko 19% manju radnu zapreminu, oko 10% veći stepen kompresije, oko 15% veće pritiske ubrizgavanja i oko 20% veću litarsku snagu u odnosu na DM33/T motor starije konstrukcije. 4. Savremeni evropski traktorski dizel motori (E3) imaju približno istu maksimalnu snagu, oko 7% manju radnu zapreminu, oko 15% veći stepen kompresije i oko 8% veću litarsku snagu u odnosu na DM33/T motor starije konstrukcije. 5. Optimizacijom IDI motora, sa aspekta potrošnje goriva, specifična potrošnja goriva smanjena je za 2% u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 10% u području deklarisane snage u odnosu na neoptimirani motor. 6. Optimizacijom DI motora, sa aspekta potrošnje goriva, specifična efektivna potrošnja goriva smanjena je oko 6 % u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 2 % u području deklarisane snage u odnosu na neoptimirani motor, što jasno ilustruju dijagrami specifične efektivne potrošnje goriva. 7. Optimizacija DI motora, sa aspekta potrošnje goriva, sa turbokompresorom rezultirala je u smanjenju specifične efektivne potrošnje goriva oko 4% u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ), odnosno oko 3,5 % u području deklarisane snage u odnosu na neoptimirani motor bez turbo kompresora.

8. Primena međuhladnjaka na turbopunjenom TDM33/T motoru dovela je do smanjena specifične efektivne potrošnje goriva oko 4 % u području najčešćeg režima rada motora (1400-1600 min -1 ) u odnosu na neoptimirani motor bez turbo kompresora i manju potrošnju oko 5 % u odnosu na DM 33/T-LP motor. Zahvalnost Ova istraživanja su finansirana od strne Ministarstva za Nauku i Zaštitu Životne Sredine u okviru programa Nacionalne Energetske Efikasnosti, Projekat 290017 i atori izražavaju zahvalnost Ministarstvu. 5. Literatura [1] International Energy Outlook 2006 [2] Deutsche Shell AG, Welterenergieverbrauch, SSDV/ds 1999 EIA [3] Hermann, H, Nizzola, C., Maly, R., The urban ecological transport, Mantova, 2003 [4] Gligorijević, R., Jevtić, J., Borak, Đ., Energetska efikasnost domaćih dizel motora u odnosu na evropske, Kragujevac 2006 [5] Gligorijević, R., Jevtić, J., Borak, Đ.; Biodizel-alternetivno gorivo nižih emisija, MVM 04, Kragujevac 2004