Полезная информация

8- и 12-цилиндровые двигатели для использования на колесных транспортных средствах и на внедорожной технике, в генераторных установках и на морском транспорте

Один базовый двигатель — широкий спектр применения

Один базовый двигатель — широкий спектр применения

MAN гарантирует адаптацию к различным требованиям.

Использование на колесных транспортных средствах

Использование на колесных транспортных средствах

Важнейшими критериями здесь являются мощное ускорение, широкий диапазон крутящего момента и малый вес.

Использование на внедорожной технике

Использование на внедорожной технике

Низкая конструктивная высота, узкие монтажные пространства и очень долгий моторесурс — вот основные требования к двигателям, используемым в этой сфере.

Использование для генераторных установках

Использование для генераторных установках

Различные режимы работы, эксплуатационные материалы и места эксплуатации — все это находится в центре внимания при разработке тех или иных модификаций генераторов энергии.

Использование на морском транспорте

Использование на морском транспорте

Безопасность пассажиров и экипажа, а также множество законодательно предписанных положений определяют требования к конструкции судовых двигателей.

Один базовый двигатель MAN — широкий спектр применения

Двигатели используются во многих областях. Каждая из таких областей предъявляет совершенно разные требования к двигателю. Разработанная MAN серия V-образных двигателей D2868/D2862 с 8 и 12 цилиндрами успешно используется на рынке в автотранспортных средствах, сельскохозяйственной технике, поездах, яхтах, рабочих катерах, а также в дизель- и газо-поршневых генераторных установках.
Ниже приводится описание различных требований в разных областях применения, а также демонстрируется, как эти требования влияют на исполнение базового двигателя и как двигатели для разных областей применения могут иметь множество унифицированных деталей.

Спектр требований

Компания MAN разработала серию V-образных двигателей, предназначенных для использования в различных областях. MAN делит области применения на 4 группы:

  • Двигатели для колесных транспортных средств — сюда относятся двигатели для автотранспорта, например для грузовых автомобилей.
  • Двигатели для внедорожной техники — сюда относятся двигатели для машин, используемых в сельском хозяйстве (аграрном секторе), строительных машин, а также для железнодорожного транспорта (локомотивы и автомотрисы).
  • Судовые двигатели
  • Электрогенераторные установки


Рис. 1: Основные  требования к семейству двигателей MAN
Рис. 1: Основые требования к семейству V-образных двигателей MAN по состоянию на 2013 г.

В зависимости от условий работы и назначения двигатели могут быть рассчитаны на различные режимы эксплуатации.
Так, например, существуют как области применения с максимальной наработкой всего 1000 часов в год при 20 % от полной нагрузки, так и области применения с длительным временем работы при 100 % нагрузке.

Кроме того, в различных областях применения необходимо соблюдать нормы токсичности ОГ. Речь идет как о стандартах Euro 5/EEV, так и о различных требованиях EPA и IMO вплоть до директивы TA Luft.

Для максимально полного удовлетворения требований по мощности двигателей в разных областях применения в модельный ряд были включены 8- и 12-цилиндровые модели двигателей. Для расширения области применения наряду с дизельными вариантами также предлагаются двигатели на природном и биологическом газе.


Описание

Базовым двигателем в MAN называется совокупность деталей, которая остается неизменной вне зависимости от назначения двигателя. Эта совокупность представляет собой, в основном, силовой агрегат, в который входят:

  • картер двигателя и картер маховика
  • коленчатый и распределительный вал
  • приводные шестерни
  • головка блока цилиндров и крышка головки блока цилиндров включая коромысла, клапаны и т. д.
  • шатуны
  • поршни
  • масляный охладитель/отделитель/фильтр
  • система впрыска топлива вкл. насос высокого давления, форсунки и топливные магистрали

Конструктивное исполнение

Целью разработки базового двигателя является получение максимально возможного количества унифицированных деталей для двигателей разного назначения, чтобы таким образом создать основу для быстрой и надежной адаптации двигателей к новым областям применения. Для серии D2868/2862 базовый двигатель стал совместной разработкой с Liebherr Machines Bulles SA.

На первом этапе конструкция базового двигателя была рассчитана на максимальную мощность. Примером этого может послужить двигатель для яхт с 2-ступенчатым турбонаддувом с пиковым давлением свыше 240 бар и средним давлением ок. 29 бар. Все компоненты силовой установки должны надежно выдерживать возникающие вследствие сгорания усилия нагрузки в течение всего срока службы.

Для достижения максимальной мощности были оптимизированы параметры сгорания топливной смеси. Двигатели с меньшими показателями выходной мощности, как правило, отличаются большими сроками службы. В связи с этим, каждый компонент силовой установки должен проходить проверку на надежность и долговечность в течение всего срока службы двигателя.


Рис. 2: Исполнение опорной рамы
Рис. 2: Исполнение опорной рамы

Помимо тестирования каждого компонента в отдельности, двигатели проходят комплексную проверку.

Так появился двигатель с углом 90° между осями цилиндров, объемом цилиндра 2 л с диаметром поршня 128 мм и ходом - 157 мм с расположенными внизу распределительным валом и 4 клапанами на цилиндр.

Двигатели оснащаются раздельными головками и крышками блока цилиндров. Для достижения высоких значений давления впрыска топлива и соответствия нормам токсичности отработавших газов применяется система Common-Rail.

Вследствие возникающих высоких нагрузок на резьбовые соединения крышек коренных подшипников коленчатого вала, они выполняются в виде единой детали (опорной плиты) нижней части блок-картера, что нетипично для двигателей подобного типоразмера. За счет высокой жесткости опорной рамы, а также резьбового соединения с картером обеспечивается надежная фиксация коленчатого вала даже при максимальных нагрузках.

On-Road

Рис. 3: Двигатель для колесных транспортных средств
Рис. 3: Двигатель для колесных транспортных средств

При конструировании базового двигателя были учтены особые требования конкретной области применения.

Это также относится и к дорожному автотранспорту. Так как в обычных тягачах монтажное пространство является очень узким, они часто оснащаются более компактными 6-цилиндровыми двигателями.

Наряду с широким диапазоном крутящего момента и мощным ускорением важным конструкционным требованием является малый вес двигателя, т. к. от этого напрямую зависит полезная нагрузка (ее увеличение).


Рис. 4: Двигатель для колесных транспортных средств с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)
Рис. 4: Двигатель для колесных транспортных средств с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)

Использование на внедорожной технике

Двигатели для внедорожной техники как правило приходится встраивать в уже существующие моторные отсеки. Эти отсеки, в зависимости от области применения, значительно различаются. Для многих видов железнодорожного транспорта двигатели должны иметь очень низкую конструктивную высоту. Подобное ограничение сказывается на форме базового двигателя. С учетом узких монтажных пространств, прежде всего в сельскохозяйственной технике, необходимо уделить особое внимание местам передачи ОГ и наддувочного воздуха. Также различается и нагрузка силовой установки в зависимости от области применения.


Рис. 5: Двигатель для внедорожной техники
Рис. 5: Двигатель для внедорожной техники

При эксплуатации железнодорожных двигателей могут возникать высокие колебания температуры. Они обусловлены обычной эксплуатацией поезда межрегионального сообщения: прибытие поезда на вокзал, сопровождающееся высоким ускорением, движение по ж/д путям, торможение на остановках и постоянное повторение этого цикла.
Для использования в сельскохозяйственной технике двигатель должен иметь восходящую характеристику крутящего момента, чтобы машины (измельчители или комбайны) могли выполнять свои функции с превышением оборотов и затем в начале обработки при снижении частоты вращения имели достаточно высокий крутящий момент.


Частыми примерами некоторых других требований к двигателям для внедорожной техники могут быть очень большой срок службы, использование в условиях значительной запыленности (например это относится к полевым измельчителям) и высокие вибрационные нагрузки вследствие неэластичной подвески двигателя.
Наряду с вышеупомянутым использованием в сельскохозяйственных машинах и поездах двигатели для внедорожной техники также используются в строительных машинах. Диапазон мощности двигателей составляет от 401 кВт до 500 кВт (545 л.с. до 680 л.с.) у V-образных 8-цилиндровых моделей и от 588 кВт до 883 кВт (800 до 1200 л.с.) у V-образных 12-цилиндровых.

Рис. 6: Двигатель для внедорожной техники с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)
Рис. 6: Двигатель для внедорожной техники с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)

Использование для генераторных установках

Рис. 7: Двигатель ДГУ
Рис. 7: Двигатель ДГУ

Двигатели для генерирования электрического тока используются в генераторных установках трех типов: постоянный источник энергии (COP: Continuous Power), ДГУ для пиковых нагрузок (PRP: Prime Power) и резервный (аварийный) источник энергии (LTP: Limited Time Running Power и ESP: Emergency Standby Power).
В зависимости от режима работы они различаются по мощности и допустимой продолжительности эксплуатации в год следующим образом: 50 часов в год для резервных ДГУ, неограниченно до 24 часов в сутки — для постоянных ДГУ.
Генераторные установки, как правило, состоят из двигателя с предустановленным комбинированным охладителем для охлаждения наддувочного воздуха и охлаждающей жидкости и прифланцованного генератора.


Рис. 8: Двигатель ДГУ с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)
Рис. 8: Двигатель ДГУ с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)

Все двигатели для генерирования тока работают с постоянной частотой вращения: 1800 об/мин для выработки переменного напряжения 60 Гц, 1500 об/мин для выработки переменного напряжения 50 Гц. При эксплуатации с прифланцованным генератором возникают дополнительные нагрузки на силовую установку. Вал генератора опирается на карданный вал, что необходимо учитывать при расчете карданного вала и расчете крутильных колебаний.

Дополнительно посредством регулировки частоты всей установки колебания в электросети можно передавать на двигатель в виде импульсов крутящего момента. Также необходимо принять во внимание условия в месте установки и эксплуатации. Так, некоторые двигатели, имея лишь частичную защиту, эксплуатируются в условиях сильной запыленности, например, в пустыне или на большой высоте до 4000 м в условиях низкого содержания кислорода в воздушной среде.

Наряду с дизельным топливом двигатель также работает на природном и биологическом газе. Такой двигатель предлагается в исполнении мощностью в диапазоне от 270 кВт до 580 кВт. Для работы на газовом топливе была разработана фирменная головка блока цилиндров, фирменный поршень и фирменная гильза цилиндра. Остальные детали силовой установки идентичны деталям дизельного двигателя. Для сравнения: дизельные агрегаты с V-образным 12-цилиндровым двигателем имеют мощность от 700 до 1117 кВт.

Использование на морском транспорте

Рис. 9: Судовой двигатель
Рис. 9: Судовой двигатель

Судовые двигатели характеризуются специальными условиями установки и эксплуатации на кораблях. Так, например, судовые двигатели охлаждаются морской водой. Сначала охлаждение происходит непосредственно наддувочным воздухом, а затем – через пластинчатый теплообменник – охлаждающей жидкостью двигателя.

Кроме того, необходимо принять достаточно затратные меры по соблюдению действующих законодательных предписаний для кораблей. Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (SOLAS), среди прочего, требует, чтобы максимальная температура поверхности корпуса двигателя составляла 220 °C.

Для этого была установлена система выпуска ОГ с водяным охлаждением, при которой термостойкие элементы для отвода ОГ (выпускной газопровод, турбонагнетатель) изолированы через воздушный зазор посредством 2-стенных алюминиевых оболочек с водяным охлаждением. Кроме того, для использования на рабочих катерах также действуют иные предписания так наз. классификационных обществ, например, Германского Ллойда. В большинстве случаев рабочие катера могут эксплуатироваться или даже страховаться только после успешного прохождения приемочного испытания, проводимого этим обществом.


Рис. 10: Судовой двигатель с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)
Рис. 10: Судовой двигатель с навесным оборудованием (базовый двигатель: темно-серый, специфические детали: красный)

Основной целью при этом всегда является безопасность пассажиров и экипажа на борту. Так, например, двигатели должны быть оснащены дублирующими датчиками и двухстенными топливопроводами высокого давления. Повсеместный отказ от использования шлангов и неиспользование определенных материалов, например алюминия в топливной системе, должны повысить безопасность в пожарном отношении.

Силовая установка, используемая в качестве судового двигателя, нагружается совершенно по-разному. Двигатели, используемые на яхтах, характеризуются очень высокой мощностью и требованием соблюдения очень высоких параметров ускорения наряду с небольшой годовой наработкой. Для обеспечения высоких ступеней мощности двигатель оборудован 2-ступенчатым турбонаддувом с промежуточным охладителем (2 турбонагнетателя на каждый ряд цилиндров).

В сфере рабочих судов, напротив, востребованы высоконадежные двигатели с долгим моторесурсом и низкой мощностью. Типичными примерами рабочих судов являются, например, баржи, пассажирские паромы, лоцманские катера, промысловые боты, прогулочные корабли, патрульные катера. Все эти судна оснащены как минимум 2-моторными установками (два двигателя на судно).

Индивидуальные решения в крупносерийном производстве

При разработке базового двигателя были учтены все специфические требования. Двигатель для любой области применения насчитывает ок. 450 одинаковых деталей. Это соответствует примерно 25–40 % общего числа деталей, которое составляет прим. 1150 деталей у двигателя для колесных транспортных средств, 1950 деталей у судового двигателя.

Последовательный учет отдельных требований позволяет находить экономически эффективные решения и для применений с меньшим числом деталей, что позволяет избежать последующих расходов на модификацию. Так, например, монтажное пространство и точки присоединения для дополнительных датчиков у классифицированных судовых двигателей остаются неизменными с самого начала, благодаря чему установка этих датчиков на элементах двигателя возможна без лишних затрат.


Рис. 11: Базовый двигатель MAN, устройство
Рис. 11: Базовый двигатель MAN, устройство

Часто при конструировании возникают противоречия между соблюдением отдельных требований. Так, например, срок службы при высокой мощности (что чревато высокими силами воздействия газов) противоречит требованию по максимальному малому весу у двигателей с меньшей мощностью. Чтобы несмотря на это целесообразно использовать одинаковые детали, было оптимизировано множество важных деталей. Например, исполнение опорной рамы в виде надежной и очень жесткой конструкции обеспечило преимущества и для двигателей невысокой мощности.


Рис. 12: Кривые крутящего момента двигателей для разных областей применения
Рис. 12: Кривые крутящего момента двигателей для разных областей применения

Однако, в различных областях применения было специально решено отказаться от использования одинаковых деталей. Чтобы добиться приемлемых кривых крутящего момента и параметров мощности, используются поршни с различным характером шлифованной поверхности и разным сжатием, а также адаптированные клапаны.

Благодаря этому наряду с программными вариациями в системе впрыска и исполнением турбонагнетателя можно значительно повысить эффективность отдельных двигателей.
Как в масляном насосе, так и в насосе системы жидкостного охлаждения для обеспечения различной производительности используются шестерни с различной шириной зубьев.


Принимая во внимание – с учетом спроса на них – скорее небольшого годового показателя выпуска двигателей (в штуках) с рабочим объемом от 16 до 24 литров концепция использования одинаковых деталей обеспечивает ценовые преимущества, с одной стороны, благодаря уменьшению количества деталей как таковых, что положительным образом сказывается, например, на ведении складского хозяйства, а с другой — через повышение доступности каждой отдельной детали.

Наиболее значимое преимущество состоит в том, что «возникает» базовый двигатель, на основе которого можно быстро и надежно получать новые модификации для различных областей применения. Таким образом создается широкий ассортимент надежных и успешно функционирующих двигателей.

Линейка V-образных двигателей MAN D2868/D2862 является наглядным примером того. как нам на основе всего одного базового двигателя удалось создать целое «семейство» двигателей специального назначения с использованием множества одинаковых деталей.

Двигатель для колесных транспортных средств

  • Использование для дорожной техники: компактное монтажное пространство, т. к. обычно могут устанавливаться малогабаритные 6-цилиндровые двигатели, увеличенный вес двигателя означает уменьшение полезной нагрузки

Двигатель для внедорожной техники

  • Железнодорожный транспорт: низкая конструктивная высота, например посредством подвагонного или накрышного монтажа, высокие температурные нагрузки при подъезде поезда к вокзалу с высоким ускорением, движение по ж/д путям, торможение на остановках
  • Сельскохозяйственные машины: узкие монтажные пространства, эксплуатация в условиях сильной запыленности, увеличивающийся крутящий момент для компенсации мощности при подводе к убираемой с/х культуре, высокие вибрационные нагрузки вследствие не упругой подвеске двигателя

Двигатель ДГУ

  • Резервные генераторы электричества: ежегодная продолжительность эксплуатации составляет 50 часов в год с перегрузкой.
  • Постоянные генераторы: 24 часа круглосуточно. Нагрузка силовой установки прифланцованным генератором, воздействия окружающей среды (напр. при эксплуатации в пустыне, горной местности)

Судовой двигатель

  • Рабочие суда: надежность наряду с долгим сроком службы и невысокой мощностью, узкое монтажное пространство, охлаждение морской водой, соблюдение правил техники безопасности и страхование классификационными обществами, например такими как Германский Ллойд (дублирующие датчики, 2-стенные топливопроводы высокого давления, огнеупорные материалы)
  • Яхты: очень высокая мощность наряду с высокими значениями ускорения при низких значениях продолжительности задействования в год