Какой мотор выбрать? ЯМЗ или ММЗ?

В связи с общим техническим прогрессом в последние 10 – 15 лет в развитии мобильной энергетики начался этап ускоренного перехода на новое (условно четвертое) поколение техники. Эволюционный процесс развития мобильной энергетики путем поэтапного наращивания мощности и усовершенствования традиционных, преимущественно механических узлов и механизмов, перешел в стадию комплексного усовершенствования конструкции. Однако замена существующего тракторного парка новым требует существенных капиталовложений. При этом срок окупаемости может достичь границы, при достижении которой произойдет моральное старение приобретенной техники.

Мировой опыт тракторостроения свидетельствует, что наряду с приобретением новой техники широко распространенная модернизация существующей. Таким образом, неся сравнительно незначительные затраты, у аграриев появляется возможность на базе существующих тракторов получить конструкции, что отвечают современным требованиям.

Такой подход позволяет обосновать необходимый уровень унификации разных моделей тракторов. Однако при этом должно придерживаться основное условие – технический уровень тракторов, созданных на базе унифицированных сборочных единиц, должен быть не ниже уровня лучших аналогов. Необходимо учитывать, что на момент создания трактора его достаточно высокий технический уровень может сохраниться, если в конструкцию сборочных единиц и деталей заложенные возможности их совершенствования со временем без создания новой производственной базы. Так, ведущие мировые машиностроительные предприятия расширяют практику установки разных двигателей на одинаковые шасси с целью создания гаммы тракторов при сохранении унификации базовых деталей и узлов для удовлетворения требований широкого круга заказчиков.

Эксплуатационная технологичность тракторов существенно влияет на его надежность, фактическую производительность, затрату топлива и определяется конструктивными, производственными и эксплуатационными факторами. Конструктивные факторы характеризуют контролепригодность, доступность, взаимозаменяемость, возобновляемость и работоспособность трактора и его составных частей. Наиболее более значимые производственные факторы определяются технологией изготовления деталей и сборочных единиц, а эксплуатационные – условиями рядовой эксплуатации, в которых оказываются свойства конструкции трактора и двигателя, заложенные при его проектировании. Основными эксплуатационными факторами является: организация и качество проведения технических обслуживаний (ТО) и ремонтов, квалификация и комплектность штата исполнителей, организация сохранения тракторов и т.д.

Производительность и экономичность тракторов и комбайнов в значительной мере зависят от характеристики установленных на них двигателей. К основным показателям двигателей относятся: удельная мощность, надежность, срок службы, топливная экономичность, а также приемистость и приспособляемость.

Производители тракторов все время находятся в поисках оптимального двигателя для своих моделей. К сожалению, российские двигатели ЯМЗ-236, ЯМЗ-238, и КамАЗ-740, которыми комплектуются тракторы, ХТЗ по своему техническому уровню значительно уступают аналогичным двигателям, которые устанавливаются на тракторы зарубежного производства.

Функционально эти двигатели конструировались как автомобильные, в связи с чем их характеристики не в полной мере обеспечивает работу на тракторах и комбайнах.

Компоновочные схемы таких двигателей не позволяют удобно проводить их техническое обслуживание при установке на трактор. К тому же они имеют большую удельную массу и габариты, что ухудшает обзорность из кабины и осложняет доступ к отдельным узлам двигателя при устранении неисправностей.

Надежность двигателей проверена недостаточно, но полученные результаты испытаний тракторов с этими двигателями указывают на то, что они по основным характеристикам уступают двигателям зарубежных тракторов. В частности, они имеют больший на 20 – 25% расход топлива, а двигатель КамАЗ-740, кроме этого, по расходу масла на выгорание (0,6 – 0,8%) превышает показания других двигателей. Практически все двигатели – как зарубежные, так и отечественные – имеют этот показатель не более 0,3%.

С другой стороны, двигатели фирмы "Дойтц" очень требовательные к качеству топливо-смазочных материалов, что в условиях рядовой эксплуатации приводит к частым выходам из строя топливной аппаратуры. По этой же причине они не имеют стабильных мощностных и экономических показателей.

Конструкторский отдел компании выполнил значительную работу по адаптации различных моделей двигателей к сельскохозяйственным мобильным энергетическим средствам и остановил свой выбор на двигателях Минского моторного завода.

Двигатели Минского моторного завода серии Д-260.4 хорошо адаптированные к отечественным условиям эксплуатации, имеют небольшие габаритные размеры и массу и имеют достаточно высокий запас крутящего момента 25 – 28% та достаточно высокую надежность.

Конструкторы ПО "Минский моторный завод", используя современные методы и средства автоматизированного проектирования, создают новые модели с постановкой на производство в течение двух лет и постоянно совершенствуют серийные конструкции. По основным показателям они находятся на уровне лучших мировых образцов.

Средняя наработка на отказ II и III групп сложности минских моторов по результатам их обследования в хозяйствах составила 4 – 4,3 тыс. моточасов. Коэффициенты готовности по оперативному времени в среднем составляют 0,994 и с учетом организационного времени соответственно 0,986 (по ТУ — 0,98).

Разработаны, изготовлены и испытаны комплекты для адаптации двигателя Д-260.4 к тракторам производства ХТЗ серий Т-150, Т-150К, ХТЗ-120, ХТЗ-160, ХТЗ -170, а также к ХТА-200 и пр. Эти двигатели достаточно надежные, приспособленные к отечественным топливо-смазочным материалам и к тому же в Украине эти двигатели наиболее распространены, поэтому не нуждаются в создании специализированной ремонтной базы.

Рассмотрим основные показатели современного тракторного двигателя и проанализируем, насколько отвечает им и концепции развития тракторостроения минский дизель Д-260.4.

Увеличение мощности при сохранении размерности (а, соответственно, внутренних потерь) двигателя.

Мощность станет больше, если повысить давление газов на поршни, сжигая в цилиндрах увеличенные дозы топлива. Однако, при подаче большего количества топлива в цилиндры, оно полностью не сгорит, так как количество воздуха не увеличится. При этом существенного повышение мощности у двигателя не наблюдается, а экономические показатели резко ухудшаются - стремительно растет расход топлива. Из выхлопной трубы идет черный дым – это сажа, частички несгоревшего топлива. Для обеспечения полного сгорания увеличенного количества топлива в цилиндрах двигателя необходимо подавать в них также большие весовые заряды воздуха. Увеличить подачу воздуха можно с помощью специального насоса-нагнетателя, расходуя на это энергию, полученную в двигателе.

На сегодня наиболее перспективным способом повышения мощности двигателя (до 30%) и уменьшения удельного расхода топлива является применение турбонаддува - использование турбины с компрессором, не требующих дополнительной энергии. Такими турбокомпрессорами оборудуются большинство выпускаемых за рубежом дизелей для тракторов и комбайнов. Именно, использование турбокомпрессоров обеспечивает высокие технико-экономические показатели двигателей и уменьшает расход топлива на номинальных нагрузках в отличие от их безнаддувных аналогов.

Турбокомпрессор обеспечивает наддув (подачу под давлением) воздуха в цилиндры. Он работает за счет энергии отработавших газов, которая составляет около 30% от общей энергии, выделяющейся при сгорании топлива. Обычно она теряется, а в турбокомпрессоре некоторая часть ее используется для работы. В результате, одновременно с повышением мощности уменьшается удельный расход топлива.

Рабочие части турбокомпрессора - колеса центростремительной турбины и центробежного компрессора (нагнетателя) - соединены общим валом. Горячие отработавшие газы, выходящие из цилиндров через коллектор, поступают под давлением в камеру турбины, проходят через каналы соплового венца и, расширяясь, устремляются на лопатки колеса турбины, вращая его с очень большой частотой (до 80...120 тыс. мин–1). По выпускной трубе газы выходят в атмосферу.

Вал турбины вращает колесо компрессора, которое засасывает воздух из атмосферы через воздухоочиститель, сжимает его и отбрасывает своими лопатками в полость корпуса. Далее воздух проходит по расширяющимся каналам диффузора и поступает в улиткообразную полость корпуса. Скорость потока воздуха уменьшается, а давление в каналах соответственно увеличивается, превышая атмосферное в 1,2...1,5 раза. Под таким давлением воздух нагнетается в цилиндры дизеля.

При сжатии в нагнетателе или компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а, следовательно, и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Чтобы создать условия для сгорания в цилиндре большего количества топлива, принимают меры для увеличения коэффициента наполнения. Для этого сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом. Двигатель Д-260.4 оснащен холодильником, в котором охлаждение наддувочного воздуха производится путем обдувания его оребренной поверхности набегающим воздушным потоком. Охладитель наддувочного воздуха отбирает у всасываемого воздуха тепло, что увеличивает его плотность и, тем самым, в конечном счете, мощность двигателя.

Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10° позволяет увеличить его плотность примерно на 3 %. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент, так что, к примеру, охлаждение воздуха на 33° даст увеличение мощности приблизительно на 10 %.

С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени сжатия в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработавших газов, что положительно сказывается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания.

Уменьшение степени сжатия у дизеля Д-260.4 до 15 и уменьшение размеров турбины улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении. Оба этих фактора для двигателя с наддувом в эксплуатационных условиях имеют большое значение такое же, как и достижение высокой удельной мощности.

Для трактора как многоцелевой машины в целях повышения его эксплуатационных показателей система воздухоснабжения должна обеспечивать высокие КПД на эксплуатационных режимах, наиболее представительных по энергозатратам.

Ускорение повышения давления наддува при увеличении частоты вращения современного двигателя, каковым является Д-260.4, происходит в результате сравнительно малого момента инерции ротора турбокомпрессора, поскольку для наддува применяется турбокомпрессор малой размерности. Вследствие ускорения поступления воздуха в камеру сгорания при работе на переходных режимах обеспечивается полнота сгорания топлива и уменьшается расход топлива.

От характеристики системы турбонаддува зависят показатели двигателя. При внедрении турбонаддува существенно повышается удельная мощность двигателя, его работа сопровождается более высокой топливной экономичностью и меньшим содержанием токсичных веществ в отработавших газах. Кроме того, такие двигатели имеют значительный запас крутящего момента.

В мире в течение ряда лет ведутся работы по повышению запаса крутящего момента двигателей сельскохозяйственных и промышленных тракторов. Улучшение этого показателя способствует повышению производительности машинно-тракторных агрегатов, снижению расхода топлива, упрощению трансмиссии, повышению удобства управления трактором. Наиболее прогрессивным решением в этом направлении является создание двигателей постоянной мощности. От обычного двигателя двигатель постоянной мощности отличается высоким значением запаса крутящего момента и постоянством мощности в широком диапазоне частот вращения при работе на режиме внешней характеристики. Благодаря этому обеспечиваются бесступенчатое и автоматическое регулирование тягового усилия и скорости движения трактора при практически 100%-м использовании мощности двигателя постоянной мощности и высокой топливной экономичности. Номинальный коэффициент запаса крутящего момента дизеля Д-260.4 — 24 %.

Приемистость двигателя характеризуется промежутком времени, в течение которого происходит повышение частоты вращения и мощности двигателя. Чем быстрее осуществляются раскрутка двигателя, повышение частоты вращения и мощности, тем выше его приемистость. Приспособляемость характеризуется степенью повышения развиваемого двигателем крутящего момента при понижении частоты вращения.

Для улучшения показателей трактора необходимо, чтобы дизель возможно меньший промежуток времени работал на неустановившихся режимах с изменением мощности и частоты вращения. Эта проблема в значительной степени решена на дизеле Д-260.4, у которого при высокой приемистости двигателя сокращается продолжительность работы на переходных режимах при изменении частоты вращения коленчатого вала. Сокращение продолжительности работы на переходных режимах происходит также и при увеличении приспособляемости, так как в случае увеличения сопротивления движению трактора повышается развиваемый двигателем крутящий момент и возрастает сила тяги трактора. При использовании на тракторах других двигателей, имеющих меньшее значение коэффициента приспособляемости, в случае увеличении сопротивления движению происходит значительное понижение частоты вращения и требуется частое переключение передач, что связано с увеличением продолжительности работы на переходных режимах. Во время работы двигателя на переходных режимах понижается его топливная экономичность по сравнению с топливной экономичностью на установившихся режимах, так как нарушается оптимальное соотношение между отдельными параметрами. Поэтому сокращение продолжительности работы на переходных режимах повышает экономичность работы трактора и комбайна. Кроме того, если нет необходимости часто переключать передачи, то, соответственно, повышается производительность машинно-тракторного агрегата, меньше изнашивается коробка передач и трансмиссия в целом.

Все эти научные доводы верны, но насколько им соответствует дизель Д-260.4?

С целью определения реальных параметров двигателя Д-260.4 на тракторе ХТА-200 выполнены независимые его испытания в лабораториях Украинского научно-исследовательского института прогнозирования и испытания техники и технологий для сельскохозяйственного производства имени Леонида Погорелого.

В результате типичных испытаний трактора ХТА-200, оснащенного двигателем Д-260.4, установлено, что двигатель за конструкционными параметрами удовлетворительно компонуется с трансмиссией трактора. Расположение двигателя в подкапотном пространстве удовлетворительное. Неудобства во время обслуживания двигателя не возникают.

Двигатель обеспечивает показатели мощности в соответствии с требованиями ТУ, отвечает за показателями топливной экономичности. Двигатель имеет допустимый угар масла – 0,3% (за ТУ – 0,4%). Система охлаждения обеспечивает необходимый тепловой режим работы двигателя.

Уровень шума в кабине трактора на установленных режимах работы дизеля не превышает допустимую величину в соответствии с требованиями ГОСТ 12.1.003.

Результаты стендовых испытаний представлены в таблице.

Таблица 1. Результаты стендовых испытаний двигателя Д-260.4 трактора ХТА-200 "Слобожанец" (по данным УкрНДІПВТ)

По результатам стендовых испытаний двигателей Д-260.4 и ЯМЗ-236Д3 построены кривые зависимости изменения мощности, крутящего момента и удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала, представленные на графиках.

Рис. 1. Зависимость изменения мощности, крутящего момента, часового и удельного расхода топлива от частоты вращения коленчатого вала двигателей Д-260.4