ДСТ-Урал ДВС бульдозер и дизель по жизни вместе

Коротко напомним содержание предыдущих публикаций:

в № 6 за 2010 г. – развитие трансмиссий бульдозера от механической, далее ГМТ и до набирающей популярность перспективной гидростатической ГСТ;

в № 7 за 2010 г. – типы подвесок бульдозеров и гусеничной спецтехники (жесткая, полужесткая на балансирной балке или рессоре и, наконец, упруго-балансирная с различными типами качающихся кареток).

Возвращаясь к теме статьи, сразу обозначим, что 100%-ное использование на бульдозерной технике получили дизельные двигатели.

В истории создания двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и одного из важнейших его типов – дизельного приняли непосредственное участие ученые и предприниматели дореволюционной России. Создателем первой тепловой (паровой) машины (1766 г.) является наш соотечественник И.И. Ползунов. Его машина была создана на 12 лет раньше паровой машины Уатта. Немецкий инженер Рудольф Дизель, еще будучи студентом и слушая лекции о термодинамическом цикле Сади Карно, попытался осуществить его на практике. Первая модель двигателя не удалась. В 1897 г. Р. Дизель закончил испытания нового двигателя с высокой степенью предварительного сжатия рабочего тела. Этот двигатель работал на керосине с к.п.д. 25%.

В 1899 г. русский инженер Г.В. Тринклер предложил идею создания бескомпрессорного двигателя, и вскоре в Петербурге на заводе Нобеля ( «Русский дизель») был построен первый в мире двигатель с воспламенением от сжатия, работавший на нефти. Этот двигатель, созданный русскими инженерами, имел ряд конструктивных достоинств, был надежнее в эксплуатации и имел непревзойденный по тому времени к.п.д., равный 28%. Русский изобретатель Я.В. Мамин в 1903–1908 гг. по-строил работоспособный двигатель высокого сжатия с впрыскиванием нефти в цилиндр без помощи сжатого воздуха. Впрыск топлива производился в предкамеру, выполненную из чугуна с медной вставкой, что позволяло получить высокую температуру поверхности предкамеры и надежное самовоспламенение. Это был один из первых в мире бескомпрессорных двигателей.

В 1908 г. в Санкт-Петербурге была построена подводная лодка «Минога», на которой установили двигатель высокого сжатия. Это было первое в мире военное судно с дизелем.

Печально осознавать, что, имея такую роль в зарождении и совершенствовании ДВС, мы вплоть до Второй мировой войны не производили эффективных дизельных двигателей для гражданской техники и вынуждены были с 1930-х гг. начать производство со 100%-ным копирования американских образцов.

За основу бульдозерного двигателя был выбран дизель Caterpillar KDM-46. Первые дизели М17 были точными копиями американской модели вплоть до перевода дюймовых размерностей резьбы в отечественную метрическую с максимальной точностью. Дизель М17 был 4-цилиндровым 4-тактным с размерностью 145/ 205 мм (диаметр и ход поршня соответственно), мощностью 75 л.с. (55 кВт) и массово применялся на тракторах С-65 ( «Сталинец») сельскохозяйственного и промышленного назначения.

Краткие технические характеристики бульдозеров производства России и стран СНГ

Марка и модель дизеля	Наддув	Применяемость	Мощность, кВт (л.с.)	Диаметр/ ход поршня, мм	Номинальная частота вращения, мин–1	Обороты макс. момента	Удельный минимальный расход топлива, г/ (л.с..ч)
ЧТЗ-Уралтрак Д-180	Да	ЧТЗ-Уралтрак Б10М	132 (180)	150/ 205	1250	800	160
ЯМЗ-236	Нет	ЧЕТРА Т9, Т11	110…132 (150…180)	130/ 140	2100	1300	162
Cummins QSB6,7-C197	Да+интеркулер	ЧЕТРА Т11	132 (180)	102/ 136.4	1900	1500	н. д.
ЯМЗ-236	Да	ЧТЗ-Уралтрак Б11, Б10М с ГМТ	140 (190)	130/ 140	2100	1300	157
ЧТЗ-Уралтрак 6Т-370	Да+интеркулер	ЧТЗ-Уралтрак Б10… …Б15 испытания	103…140 (140…190)	130/ 160	1900	~1500	155
ЯМЗ-236	Да	ЧТЗ-Уралтрак Б12,Б13	184 (250)	130/ 140	2100	1300	153
ЯМЗ-238	Нет	ДСТ-Урал ТМ10	178 (240)	130/ 140	2100	1300	157
ЯМЗ-238	Да	ДСТ-Урал ТМ15	220 (300)	130/ 140	2100	1300	150
ЯМЗ-238	Да	ЧЕТРА Т15	184 (250)	130/ 140	2100	1250	162
Cummins QSС8,3-С245	Да+интеркулер	ЧЕТРА Т15	180 (245)	114/ 135	2000	1450	н. д.
ЯМЗ-238	Да	ЧЕТРА Т20	210 (286)	130/ 140	2000	1300	150
Cummins QSM11-330	Да+интеркулер	ЧЕТРА Т20	232 (315)	125/ 147	2100	1250	н. д.
ЯМЗ-Renault ЯМЗ-650.10	Да+интеркулер	Бульдозеры класса тяги 20…25 т	303 (412)	123/ 156	1900	1200	140

	Первым существенным шагом в модернизации М17 (KDM-46) стал с 1960 г. перевод процесса смесеобразования из предкамеры в область цилиндра с формированием в теле последнего выемки (рис. 1). Новая схема камеры сгорания (КС) была разработана в ЦНИДИ (Санкт-Петербург), чем был достигнут существенный рост к.п.д. дизеля – более чем в 15% до номинального расхода в 175 г/кВт.ч. Такой расход является и на сегодняшний момент нормальным для большинства дизелей, в том числе наддувных (с турбиной).
Рис. 1. Камера сгорания ЦНИДИ дизеля Д-108 (Д-160…Д-180) производства ЧТЗ

Двигатель получил маркировку Д-108 (108 л.с.), и надо сказать, что до сегодняшнего дня есть случаи эксплуатации данного двигателя (более 40 лет – беспрецедентно даже в мировой практике), главной причиной чего является колоссальный запас прочности и отсутствия наддува, а значит, минимальная тепловая нагрузка и низкие экстремумы давления в камере сгорания в процессе работы дизеля.

Последней модификацией, устанавливаемой на тракторы ЧТЗ, до сегодняшнего момента является Д-180 с наддувом (см. таблицу). Новой разработкой челябинских конструкторов явился перспективный рядный дизель 6Т-370, параметры его также приведены в таблице.

Параллельно с челябинской конструкторской школой в годы Великой Отечественной был сформирован и 100%-но реализовал поставленные государством задачи ярославский центр дизельного двигателестроения. На сегодняшний день Ярославский моторный завод, переименованный в ОАО «Автодизель», практически монопольно контролирует рынок колесной отечественной (включая Белоруссию) спецтехники и начинает с момента начала экономического кризиса в 2008 г. доминировать на рынке новых бульдозеров РФ. Лидерство в использовании своих двигателей предприятие достигает прежде всего за счет перехода производителей на выпуск бульдозеров с гидромеханической трансмиссией, где востребованы высокооборотные дизели (номинальная частота вращения примерно 2000 мин–1).

Базовой линейкой силовых агрегатов марки ЯМЗ являются V-образные дизели 6-, 8- и 12-цилиндровые размерностью 130/ 140 мм. Выпускаются наддувные и атмосферные дизели в широком диапазоне мощностей – от 180 до 500 л.с.

	История создания данной линейки также связана с американским прототипом – первый ЯАЗ-204 – двухтактный дизель для катеров, освоенный заводом в годы войны. Надо сказать, что сам завод был основан в 1916 г. русским инженером В.А. Лебедевым и многократно перепрофилировался на выпуск различной колесной техники, пока с 1960-х годов не получил окончательную специализацию с запуском серии дизельных двигателей ЯАЗ-204 с новой камерой сгорания и схемой смесеобразования (рис. 2), а также рядом других принципиальных усовершенствований.
Рис. 2. Камера сгорания дизелей серии ЯМЗ 236–238–240: 1 – форсунка, 2 – гильза, 3 – поршень, 4 – камера сгорания с системой завихрения топливного заряда

Камера сгорания новых дизелей получилась весьма удачной. Параметры экономичности достигли уровней лучших зарубежных образцов, минимальный удельный расход равен 195 г/кВт (152 л.с.) на наддувных версиях. Двигатели 8- и 12-цилиндровые имеют 100%-ную балансировку за счет равных углов срабатывания поршней.

Самыми надежными считаются ЯМЗ-238 атмосферные (без наддува) за счет более «комфортной» работы поршневой по параметрам теплонагруженности и «нормальным» давлениям в камере сгорания. Поскольку поршневая группа ЯМЗ унифицирована, турбонаддув без промежуточного охлаждения существенно снижает ресурс цилиндропоршневой группы, да и сама турбина ни у нас, ни в мировой практике не работает весь ресурс двигателя – требуется ее периодическая замена и повышенное внимание при эксплуатации.

Здесь надо отметить, что, как и в упомянутом 6Т-370 (запускаемом в серийный выпуск ЧТЗ), так и в уже выпускаемом из комплектующих Renault новом рядном дизеле ЯМЗ-6501.10 (см. таблицу) промежуточное охлаждение, а также улучшенное охлаждение цилиндропоршневой группы присутствует.

Именно решения в этом направлении, а также совершенствование процесса смесеобразования и горения в камере сгорания являются ближайшими перспективами повышения к.п.д. дизелей с 35…37% массово выпускаемых в настоящее время до к.п.д., равного 50…55% в уже существующих образцах перспективных дизелей.

Новые разработки российских ученых, не имеющие аналогов в мире, существуют пока в виде патентов (например, бескривошипно-коленчатый) или действующих прототипов (например, всетопливный роторно-турбинный двигатель внешнего сгорания). Очевидно, что в ближайшие пять лет практически реализовать эти разработки не удастся (хотя информации по роторно-турбинному двигателю мало, работы частично засекречены и последнее упоминание о нем в СМИ относится к 2008 г.). Вернемся к реальности, а именно к применяемости дизелей на работающих в РФ бульдозерах класса тяги 10…20 т.

Самым надежным бульдозером среди отечественных наиболее массовых является, по общему мнению потребителей, ЧЕТРА Т11 с ГМТ с ЯМЗ-236 без турбонаддува. Модификация с рядным Cummins может претендовать на лидерство по надежности только при нормальных условиях эксплуатации и обслуживания. Например, этот агрегат не заведется в минус 25 °С и «обидится» на странную солярку, что периодически попадает в топливные баки бульдозеров вдали от цивилизации, где преимущественно работают бульдозеры.

Впрочем, безнаддувный ЯМЗ при «человеческом» отношении – периодическая замена масла, требуемое качество ГСМ, уплотнения и чистота воздушного фильтра (крайне важный аспект долгосрочной работы ЦПГ), прогрев до начала работы под нагрузкой и т. д. – отрабатывает тот же миллион километров в переводе на колесную технику. А больший ресурс двигателя не востребован, так как связан с моральным устареванием. К примеру, в ближайшие 10 лет потребуется экономичность, а возможно, и экологичность дизелей, что исключает использование современных серийных агрегатов ЯМЗ. Так же заканчивается история Д-180 (ЧТЗ) по причине абсолютного морального устаревания и так и не решенных конструктивных недостатков.

Надо отметить, что гильзы цилиндров, маслосъемные кольца отечественных дизелей изготавливают из тех же спецсталей, что используются в РКО и ни в чем не уступают западным (не так давно США приобрели 10 ракетных двигателей ПО «Энергия» для космических запусков). Новые промышленных лидеры (по массовости производства) китайцы, несмотря на 100%-ное копирование ими старых образцов двигателей известных производителей, не могут пока похвастаться такими сроками службы. Заложенные во времена СССР параметры качества, начиная с выплавки сталей в первую очередь для военной техники и заканчивая требованиями по приемке теми же военными, пока позволяют двигателям ЯМЗ и ЧТЗ (для военной техники), имеющим безусловно двойное назначение, оставаться на должном современном уровне по эксплуатационным качествам.

Почему так много внимания уделено именно продукции ЯМЗ, спросят читатели. Что это – реклама? Отнюдь. Сейчас вы поймете, в чем интерес именно к ЯМЗ. И в российской практике, и в мировой ЯМЗ – это беспрецедентный случай столь широкого распространения унифицированной цилиндропоршневой группы одного специализированного производителя дизелей, да и установки ДВС в целом на широчайший спектр как колесной, так и гусеничной и прочей техники. Это обстоятельство, основы которого закладывались в СССР (при разделении специализаций предприятий и пусть искусственном создании конкурирующих «центров» технологий), обеспечило экономику РФ мощной защитой от проникновения десятков типов ДВС различных производителей с разунифицированными типоразмерами и «подсадкой» эксплуатирующих организаций на, мягко говоря, недешевые запчасти. Отсутствие какой бы то ни было «головной боли» у механиков при поломке дизеля ЯМЗ благодаря постоянному наличию и приемлемой цене запчастей – главное достоинство продукции «Автодизеля» (естественно, помимо всего вышесказанного). Технологичность наряду с признаваемой слесарями-двигателистами простотой конструкции в свою очередь также определяет предпочтения последних при выборе ДВС.

И последний аспект, который хотелось бы затронуть. А именно консервативное заблуждение, часто встречающееся среди трактористов с «пожизненным» стажем, о том, что Д-180 – изначально тракторный, а ЯМЗ и другие современные высокооборотные дизели – с меньшей инерционной массой вращающихся (подвижных) частей и не так хороши на бульдозерах. Во-первых, есть четкий параметр приспособляемости двигателя по частоте вращения при возникновении нагрузки. Вот по этому параметру тот же высокомоментный Д-180 (максимальный момент 1200 Н.м на 800 мин–1, при номинальных 1200 мин–1. Коб≈1,50) уступает безнаддувному ЯМЗ-238 (883 Н.м на частоте 1300 мин–1 при номинальной 2100 мин–1 и Коб≈1,61). Так же близки эти двигатели по коэффициенту приспособляемости по моменту. Проще говоря, двигатель ЯМЗ-238 ничуть не хуже держит нагрузку, чем Д-180. Конечно, это связано и с числом цилиндров и, как уже отмечалось, с крайне удачной конструкцией камеры сгорания. Не стоит забывать и о передаточном числе трансмиссии. И если максимальный крутящий момент у ЯМЗ-238 на 20% ниже, итоговый момент на «звездочке» определяется исключительно передаточным числом трансмиссии.

Что касается удачной камеры сгорания дизелей ЯМЗ, из личного опыта скажу, что, неоднократно присутствуя на запуске на бульдозере ТМ10 нового (необкатанного) ЯМЗ-238 без турбины и системы очистки отработавших газов (Евро 0), ловил себя на мысли, что отсутствие видимого выхлопа и какого-либо привычного запаха при работе дизеля (при достаточно долгой работе последнего в закрытом помещении) – реальное подтверждение отличного процесса смесеобразования и горения в камере сгорания дизелей ЯМЗ.

Надо вспомнить и неоднократные победы КамАЗов, укомплектованных дизелями ЯМЗ, в ралли «Дакар», безусловно подготовленных по особой программе и с использованием «идеальных» ГСМ. Так что же мешает механикам на местах относиться к отечественной технике так же «строго», как к зарубежной, а по необходимости и привлекать сервисных специалистов?

Обращу внимание и руководителей МТО эксплуатирующих предприятий, что «удовольствие» использования зарубежной техники зачастую связано с неоправданно высокими первоначальными затратами, тем более при покупке в лизинг (где реальный кредитный процент на остаток долга от 30 до 40%, то есть двукратная переплата кредитной части за два года).

В части той же китайской спецтехники – двухлетняя интенсивная эксплуатация последней приводит к 100%-ному ремонту практически всех агрегатов, сопоставимому с ценой новой машины. А поскольку сменность модификаций у «китайцев» высочайшая, поиск и ожидание старых маркировок запчастей – это отдельное «удовольствие».

В статье не были упомянуты несколько отечественных производителей дизельных двигателей, в том числе неплохого Д-245 Минского моторного завода, дизеля КамАЗ и т. д. Это связано с задачей осветить тему статьи, а ни в коем случае не «пропиарить» конкретные заводы.

Итак, обобщая вышесказанное, сделаем выводы из данных таблицы.

Двигатели на бульдозерной технике с точки зрения применимости на разных моделях бульдозеров производства РФ в подавляющем большинстве принадлежат одному производителю – ОАО «Автодизель» (марка ЯМЗ).
При этом все устанавливаемые дизели ЯМЗ имеют одну размерность цилиндропоршневой группы и различаются числом цилиндров и наличием наддува.
Предлагаемые в комплектации двигатели Cummins на бульдозерах «ЧЕТРА» не унифицированы по размерности ЦПГ.
Модели в широком диапазоне класса современных промышленных бульдозеров (без учета Б10, оснащенных Д-180), составляющих более 85% рынка, используют фактически две базовые модели двигателей: 6- и 8-цилиндровые V-образные ярославские дизели.
Если перспективный дизель 6Т-370 (ЧТЗ) не будет в ближайшее время запущен в серию на основные модели Б10 и Б11 ЧТЗ, «Автодизель» может перейти к долгосрочному доминированию, а фактически контролю на рынке двигателей для отечественных бульдозеров. Данный факт может иметь отрицательные последствия с точки зрения нормальной конкуренции. При этом очевидно, что нишу могут занять китайские копии известных марок.

Та же серия ЯМЗ 236–238–240 отнюдь не исчерпала свой потенциал, поскольку не используются до сих пор промежуточное охлаждение наддувочного воздуха и возможности отключения части цилиндров при частичной нагрузке (крайне эффективная мера при работе бульдозера – работа без нагрузки 50%).

Поиск отечественными научными школами двигателестроения принципиально новых решений преобразования тепловой энергии в работу машин может дать интересные результаты, поскольку промышленность по инерции идет в одном направлении совершенствования за счет усложнения ДВС позапрошлого века, и необходимость в принципиально свежих идеях давно назрела.