Принципиальные различия между двигателями для коммерческой и специальной техники
Моторы для коммерческой и специальной техники при внешнем сходстве, примерно одинаковых габаритах, массе и рабочем объеме имеют различные характеристики. Вследствие чего это происходит и насколько велика разница между силовыми агрегатами дорожных и специальных машин?
В сегменте коммерческой техники есть как дорожные машины, предназначенные для перевозки грузов по дорогам общего пользования и вне их, так и специальные, спроектированные для проведения погрузочно-разгрузочных и строительных работ. В зависимости от специфики работы техники подбирается ее силовая линия, а именно двигатель, элементы трансмиссии, ходовой части и рабочего оборудования.
Прежде чем начать разговор о моторах, озвучим одну важную мысль: подавляющее большинство силовых агрегатов, применяемых в специальной технике, это дизели, работающие на дизельном топливе. ДВС, работающие на газе, из-за их малочисленности и узкого сектора применения мы рассматривать здесь не будем.
Не секрет, что
в большинстве случаев блоки цилиндров двигателя зачастую у дорожной машины и у спецтехники идентичны.
Все, что нужно, это скорректировать рабочий объем мотора путем задания требуемого хода поршня, иногда изменения диаметра цилиндра и отладки рабочего процесса. Последнее крайне важно для обеспечения максимальной мощности, крутящего момента и экономичности при соответствии действующим нормам токсичности. А это весьма трудоемкий и затратный с точки зрения финансов процесс. В головке блока может быть по два, три или четыре клапана на цилиндр, при этом сами газовые каналы будут различаться проходным сечением. Всеэти факторы влияют на наполнение цилиндров и выпуск из них отработавших газов. И конечно же изменение настроек системы питания, алгоритм работы которой завязан на характеристиках примененного турбокомпрессора, приводит к тому, что двигатель, имеющий один и тот же блок, кардинально меняет свой характер.
Универсальный или специальный?
Многие детали двигателей разных модификаций должны быть унифицированы. Это диктует экономика - чем большим тиражом выпускается ДВС, тем ниже стоимость конечного изделия. К тому же к выпускаемому массово ДВС проще приобрести запасные части. При этом помимо оригинальных деталей на рынке обязательно будет сформировано и большое предложение от многочисленных "альтернативщиков". С точки зрения технологий, применяемых в двигателестроении, между силовыми агрегатами, предназначенными для дорожных машин и специальной техники, разницы нет. Однако говорить о том, что все моторы для специальных машин есть производные от моторов, разработанных для дорожной техники или наоборот, нельзя, так как первые относятся к классу индустриальных и поэтому имеют иные, принципиально различные настройки. То есть
внешние скоростные характеристики (крутящий момент и мощность) обеих групп двигателей будут существенно различаться.
Это объясняется тем, что ДВС дорожных машин и тракторов работают в широком диапазоне оборотов, от холостого хода до пиковых, в то время как моторы спецмашин функционируют либо на частоте холостого хода, либо на номинальном режиме. Ярким тому примером служат спецмашины с гидростатической трансмиссией.
Различия между силовыми агрегатами дорожных машин и специальной техники могут заключаться в присоединительных элементах, например кронштейнах крепления навесного оборудования, а также точках "посадки" самого силового агрегата в моторном отсеке, наличии или отсутствии агрегата турбонаддува или характеристик применяемых турбин.
Так, для дорожных машин турбокомпрессоры, как правило, имеют изменяемую геометрию направляющего аппарата, что позволяет обеспечить наполнение цилиндров воздухом на всех режимах работы дизеля. "Однорежимному" мотору спецтехники такой сложный агрегат не требуется. И если уж мы заговорили о режимах работы, то необходимо дать более полную информацию по данной теме.
Итак, как мы уже сказали выше, у силовых агрегатов "специального" и "дорожного" сегментов разные условия эксплуатации. Для примера: мотор дорожной машины работает в достаточно широком диапазоне вращения коленчатого вала, так как в процессе движения грузовика или тягача водитель в зависимости от дорожных условий и нагрузки включает ту или иную передачу в трансмиссии. При этом в момент переключения передачи (если трансмиссия имеет ручное управление) происходит и разрыв потока мощности, а за ним наблюдается и резкий скачок оборотов коленчатого вала в ту или иную строну.
Именно по этой причине настройка топливной аппаратуры моторов дорожных машин делается таким образом, чтобы горизонтальная планка (иногда ее называют полкой) кривой крутящего момента на внешней скоростной характеристике имела как можно большую длину. Это означает, что максимальное значение крутящего момента будет сниматься в большом диапазоне оборотов коленчатого вала.
Иное дело силовая установка спецмашины. После прогрева ДВС его выводят на определенные обороты, на которых силовой агрегат и работает большую часть времени. То есть оптимальное значение крутящего момента должно достигаться в узком диапазоне частот вращения коленчатого вала.
По сути, мотор спецмашины является однорежимным.
Выставили значение оборотов, соответствующее максимальному крутящему моменту, и выполняете объем работ. При этом помимо требуемой производительности рабочего оборудования достигается и приемлемый расход топлива. Приемлемый, потому что современные моторы оснащаются электронно-управляемыми системами питания Common Rail и компьютерами, которые позволяют оптимизировать расход топлива исходя из нагрузки на рабочем оборудовании. В этом случае обороты коленчатого вала ДВС будут изменяться, но опять-таки по определенной зависимости. Такие интеллектуальные системы являются для спецмашин опцией, причем весьма недешевой, и прежде чем ее заказывать, необходимо просчитать экономическую выгоду от ее использования и срок окупаемости.
Еще одна весьма существенная разница между моторами заключается в требованиях к чистоте их выхлопа. Если у двигателей современных дорожных автомобилей, соответствующих нормам Euro 6, выхлоп должен быть "практически безвредным" для окружающей среды, то к "дыханию" специальной техники требования более лояльны. Силовые установки современных машин соответствуют требованиям Stage IV. А большая их часть, поставляемая на рынки развивающихся стран, к которым относится и Россия, в лучшем случае соответствует нормам Stage III. Заметим,
чтобы достичь более высоких экологических показателей, двигателистам приходится что-то приносить в жертву.
Так, для создания условий полного сгорания топлива и обеспечения работы дизеля на бедных смесях в жертву приносят, например, мощность. Были случаи, когда компании, приобретающие спецтехнику с новыми, более чистыми моторами, скажем, соответствующими Stage III, жаловались на то, что машина по отношению к той, что оснащалась силовым агрегатом Stage I, "не тянет". А проблема, оказывается, крылась в том, что
на низких оборотах более чистые моторы часто выдают меньший крутящий момент, нежели более "грязные" версии.
Для того чтобы спецтехника работала так же, как и прежде, необходимо давать мотору большие обороты. Но в сознании большинства операторов спецмашин большие обороты - увеличенный расход топлива. Однако применительно к современным двигателям дело обстоит немного иначе.
Дефорсирование
Бытует мнение, что производители специальной техники при создании машины часто требуют от мотористов дефорсировать имеющийся у них силовой агрегат, чтобы исключить его работу на предельных режимах и тем самым значительно продлить срок службы ДВС. Разумеется, при прочих равных условиях, как то: своевременное техническое обслуживание в полном объеме и с применением рекомендованных заводом-изготовителем масел требуемого класса вязкости.
Да, действительно, если искусственно снизить снимаемую с литра рабочего объема мощность, то нагрузка на детали двигателя также снизится. Однако ресурс силового агрегата зависит не только от его нагруженности. ДВС с полной отдачей работает редко. В основном на оборотах, обеспечивающих достаточные мощностные показатели при минимальном расходе топлива. С другой стороны,
устанавливать на спецтехнику тяжелый, дефорсированный мотор сегодня не имеет большого смысла,
ну разве что силовой агрегат является по совместительству и противовесом, что в специальной технике наблюдается достаточно часто. Если же такой технической задумки нет, то конструкторы применяют современные, легкие, высокофорсированные, управляемые электроникой силовые агрегаты, которые выдают на номинальном режиме строго определенную мощность и крутящий момент. При всех их достоинствах, и в частности примерной топливной экономичности, данные двигатели имеют и недостатки. Так, для диагностики системы питания Common Rail требуется фирменное оборудование. Это означает, что, случись неисправность, техника встанет на прикол, а владелец понесет убытки. Кроме того, Common Rail довольно требовательна и к качеству топлива. Если солярка будет содержать большое количество смол, серы, иных примесей, что нередко для дизельного топлива, реализуемого в отдаленных частях России, прецизионные элементы, и в частности распылители форсунок, быстро выйдут из строя. А стоимость новых деталей весьма высока.
Вот и выходит, что при внешнем сходстве двух силовых агрегатов они могут иметь различные технические характеристики и отличаться ресурсом, надежностью, вернее, приспособленностью к конкретным условиям эксплуатации. Хорошо изученная ремонтниками система питания с классическим рядным топливным насосом высокого давления более стойко выдерживает работу на топливе низкого качества, да и ремонтируется не в пример проще.
Кроме того, не стоит забывать и про такой параметр, как стоимость эксплуатации двигателя. А он крайне важен как для оценки эффективности работы дорожных машин, так и специальной техники.
Не секрет, что чем больше конструктор ДВС применил средств для повышения эффективности съема мощности с одного литра рабочего объема (электронно-управляемая система питания, турбокомпрессор с изменяемой геометрией, средства промежуточного охлаждения воздуха, электромагнитные муфты включения вентилятора системы охлаждения, прочие технические ухищрения), тем сложнее и дороже обслуживание мотора. Часто это эксплуатирующей организации совсем не требуется. Для нее более важно, чтобы силовой агрегат лояльно относился к солярке невысокого качества, работал на недорогих минеральных маслах, а топливный насос высокого давления можно было бы перебрать и настроить, используя имеющееся оборудование, приспособления и стенды.
Именно по этой причине моторы, предназначенные для спецмашин, воспринимаются перевозчиками, работающими на дорожной технике как архаизмы. Но опять-таки это неверно. Каждый силовой агрегат рассчитан под определенные условия работы, и никак иначе! Судите сами, зачем карьерному экскаватору, который работает 24 часа в сутки и останавливается только когда необходимо провести регламентные работы, современные системы, повышающие его экологический класс? Для спецмашины более актуален лозунг "чем проще, темлучше".
Под конкретную задачу
Модификации двигателя, созданного на базе единого блока цилиндров, имеют различные технические характеристики. В зависимости от степени форсировки применяют разные поршни, коленчатые валы с различной длиной колена, задающего ход поршня, головки блока, имеющие от двух до четырех клапанов, топливную аппаратуру и т. д.
При этом еще раз подчеркнем, что блок цилиндров один и тот же. Его высота, диаметр цилиндров и межцентровые расстояния не меняются. По требованию конструктора спецмашины мотористы предлагают ему силовую установку (из продуктовой линейки) нужной мощности, которая будет иметь гарантированную(!) наработку (ресурс).
Если мощность ДВС будет превышать требуемую, то это приведет к перегрузке трансмиссии и сокращению срока ее службы. Оптимизация процесса работы моторов каждой серии достигается, в частности, грамотным подбором формы камеры сгорания. Скажем так: если машине требуется дизель, который будет развивать мощность 100 кВт при 1500 об/ мин, то конструктор выбирает из имеющихся в наличии силовых агрегатов тот, который уже опробован и доведен под этот режим, и вносит для корректировки показателей изменения в программу управления ДВС.
Заметим, что именно по этой причине
замена вышедшего из строя "родного" мотора на похожий, с аналогичными характеристиками часто просто невозможна.
Это же касается замены поршневой группы. Так, при подборе поршней, как мы сказали ранее, важно, чтобы камера сгорания в поршне была идентична той, которая имеет место быть в изношенных деталях, и никак иначе. Словом, ремонт моторов, предназначенных для установки на спецтехнику, более сложен из-за подбора запасных частей.
Различия в стыковке
Но и это еще не все особенности, присущие агрегатам, устанавливаемым под капоты спецмашин. Как известно, большое количество спецтехники имеет гидродинамическую трансмиссию, а это означает, что вместо традиционного сцепления к маховику ДВС крепится гидротрансформатор.
В итоге производитель двигателя заменяет маховик мотора более простым как по форме, так и по чистоте обрабатываемых поверхностей. Несмотря на то, что масса данной детали рассчитывается с учетом действующих сил инерции, заменить ею соответствующую деталь мотора дорожной машины не получится. Про такие прорывные конструкции, как двухмассовые маховики, и вообще не говорим. Заменить данный агрегат (именно агрегат), позволяющий в большом спектре крутильных колебаний осуществлять эффективное их демпфирование, просто невозможно. В противном случае мотор будет работать в условиях повышенных нагрузок. Достанется и его опорам. Но хуже всего то, что агрегаты трансмиссии станут чрезмерно нагружаться, а это приведет к сокращению их ресурса.
Итак, любой из трех маховиков - традиционный под классическое сцепление, упрощенный под стыковку с гидромуфтой или самый современный двухмассовый - должны в обязательном порядкерассчитываться под мотор, работающий на определенных режимах.
Масла и смазки
Кстати, зачастую производитель мотора, адаптировав его под конкретную технику, изменяет и требования к применяемым в нем смазкам. Это вполне логично, так как именно масло гарантирует его защиту от износа и влияет на эксплуатационный расход топлива.
Отметим, что, чем больше нагружен мотор, тем выше требования предъявляются к маслам, которые можно в нем использовать. Однако двигателисты, учитывая широкий климатический диапазон эксплуатации машин, указывают лишь требования по уровню качества заливаемого продукта и параметра его вязкости, никак не ограничивая эксплуатирующую организацию в выборе производителя смазки.
Разумеется, речь в данном случае идет о технике, не находящейся на гарантии. В гарантийный период владелец машины обязан строго придерживаться рекомендаций данных, приведенных в карте смазки, листе с перечнем допущенных продуктов.
Как правило, в руководстве по эксплуатации даются рекомендации по сокращению сроков проведения технического обслуживания при работе спецтехники в определенных условиях (режимах). Их необходимо строго придерживаться, даже если применяемые масла обладают свойствами, превосходящими рекомендованные производителем мотора. При этом корректировка сроков замены в меньшую сторону требуется и при переходе с одного сорта масла на другое. Дело в том, что с ростом уровня качества наблюдается и улучшение моющих свойств масел.
А это значит, что
новое высококачественное масло смоет накопленные в моторе отложения и потребует соответственно более ранней замены.
И конечно же, если речь идет о стационарных дизелях или газовых моторах, применяемых в генераторных или вакуумных установках, нужно помнить, что для них существуют свои особые масла, особенно когда речь идет о силовых установках, использующих в качестве топлива сжатый природный газ метан.
Фото: scania.com
Основные средства
