Сравнительный анализ экономической эффективности использования силовых установок на промышленном тракторе класса тяги 10 т (Часть 1)

Эффективное использование горючего для совершения механической работы является неоспоримым преимуществом при выборе промышленного трактора. Кроме того, стоимость силовой установки также формирует экономическую привлекательность конечного продукта. В качестве примера рассмотрим промышленный трактор класса тяги 10 т производства «ЧТЗ-Уралтрак» и «ДСТ-Урал».

Промышленный трактор Б10М агрегатируется двигателями Д-180 производства «ЧТЗ-Уралтрак» и ЯМЗ-236 (Ярославский моторный завод), а схожая по классу машина производства «ДСТ-Урал» может агрегатироваться отечественными двигателями семейства ЯМЗ-236/238, ЯМЗ-536 и локализованным Cummins QSL8,9-С340.

Рис. 1. Продукция «ЧТЗ-Уралтрак»

Двигатель с нынешним названием Д-180 берет свое начало с 1960-х гг. За долгие годы производства двигатель прекрасно себя зарекомендовал как надежный и безотказный, способный работать в суровых климатических условиях.

Двигатели Ярославского моторного завода ЯМЗ-236/238 также берут свое начало с 1960-х гг. Двигатели изначально проектировались под установку на грузовой колесный коммерческий транспорт. Однако из-за отсутствия какого-либо ассортимента тракторных двигателей производители начали прорабатывать возможность установки автомобильных агрегатов семейства ЯМЗ на свою технику. Так в 1990-х гг. двигатели ЯМЗ-236/238 и их модификации получили дополнительное применение на промышленных тракторах.

Рис. 2. ТМ10 ГСТ10 «ДСТ-Урал»

В условиях жесткой конкуренции производитель вынужден непрерывно повышать технический уровень выпускаемой продукции. Одним из главных инструментов модернизации можно считать «сердце» машины – силовую установку. Энергоэффективная современная силовая установка позволяет не только перерабатывать топливо в механическую энергию с максимальным уровнем КПД, но и значительно снижать уровень выбросов токсичных компонентов с отработавшими газами в атмосферу.

Для удобства анализа технические характеристики исследуемых силовых установок сведем в табл. 1. Дополнительно для сравнения топливной экономичности рассмотрим двигатель ЯМЗ модификации 53644, работающий на CNG (компримированный природный газ).

Технические данные двигателей
Параметры Д-180.100-6 ЯМЗ-236М2 ЯМЗ-238НД8 Cummins QSL 8,9-C 340 ЯМЗ-536 ЯМЗ-53644 CNG
ne, мин-1 1250 2100 1900 2100 2300 2300
*ge, г/кВт·ч 218 227 215 234,8 213 228,3
Мmax, Н·м 1260 667 1280 1455 1226 1098,7
Ne, кВт 132 132 220 250 229 191,2
n при Мmax, мин-1 900–1100 1200–1450 1200–1400 1100–1500 1300–1600 1100–1600
** ge, г/кВт·ч 215 214 208 205,5 197 215,6
Ресурс до кап. ремонта, моточас 10 000 10 000 10 000 10 500 12 000 12 000
Габаритные размеры, мм, Д/Ш/В 1730/1190/ /1730 1020/1040/ /1100 1370/1045/ /1070 1150/890/ /1020 1298/759/ /972 1298/759/ /972
Масса, кг 1890 890 1180 707 640 700
Экологический класс Euro 0 Euro 0 Euro 1 Euro 4 Euro 4 Euro 5
***Средняя цена ДВС с НДС, тыс.руб. 950 538 750 790 766 880
*Удельный эффективный расход топлива при номинальной мощности двигателя.
**Минимальный удельный эффективный расход топлива.
***Стоимость ДВС датирована I кварталом 2019 г. и носит исключительно ознакомительный характер.
Поле обозначения двигателя выделено цветом. От красного (крайний левый столбик) – двигатель обладает менее эффективными, до зеленого (крайний правый столбик) – более эффективными экологическими и/ или стоимостными показателями.

Дизельный ЯМЗ-536 будем рассматривать в версии со стандартной прошивкой контроллера на 312 л.с. (на тракторе ТМ10 ГСТ12 используется дефорсированная версия ДВС с иной прошивкой, мощностью 240 л.с.).

Тракторный двигатель Д-180 (рис. 3) обладает рядом достоинств для механической трансмиссии, таких как: невысокая частота вращения коленчатого вала, не требующая применения дополнительных редукторов для понижения частоты вращения; пиковый крутящий момент достигается при невысокой частоте вращения; неприхотливость к топливу и обслуживанию. Кроме того, двигатель может агрегатироваться пусковым бензиновым двигателем, обеспечивающим гарантированный пуск дизельного (основного) двигателя при отрицательных температурах в условиях Крайнего Севера. Высокая масса двигателя является полезной для развесовки и производительности гусеничных машин.

Рис. 3. Тракторный двигатель Д-180 производства «ЧТЗ-Уралтрак»

К недостаткам можно отнести повышенный удельный расход топлива и высокую стоимость, большой размер ДВС. А также низкий экологический класс, исключающий использование техники в закрытых и плохо проветриваемых помещениях, на машинах, к которым предъявляются более строгие экологические требования и регламенты.

У двигателей ЯМЗ-236М2 (рис. 4) и ЯМЗ-238 (рис. 5) к достоинствам можно отнести невысокую стоимость, возможность выбора разных модификаций двигателя с разным уровнем форсировки по мощности и соответствие экологическому классу до Euro 2. В связи с применением данных двигателей на различном автомобильном транспорте их плюсами являются большая распространенность и низкая стоимость запасных частей, знание конструкции и понимание ремонтных технологий механизаторами по всему СНГ. Меньший удельный расход топлива для наддувной модификации двигателя ЯМЗ-238НД8 на режимах номинальной мощности и режиме максимального вращающего момента на 3–6 г/(кВт.ч) соответственно в сравнении с тракторным двигателем Д-180.

Рис. 4. ЯМЗ-236 М2

К недостаткам семейства двигателей ЯМЗ-236/ 238 можно отнести малую массу и высокую частоту вращения коленчатого вала в сравнении с тракторным двигателем Д-180. Частный случай – безнаддувная модификация двигателя ЯМЗ-236М2 менее экономична, удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности составляет 227 г/(кВт.ч) против 218 г/(кВт.ч) у Д-180, максимальный вращающий момент почти в два раза меньше в сравнении с двигателем Д-180.

Рис. 5. ЯМЗ-238

К достоинствам двигателя Cummins L8,9-C 340 (рис. 6) можно отнести высокую эффективную мощность при небольших габаритных размерах, условно постоянный максимальный вращающий момент, равный 1455 Н·м в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала, пиковое значение вращающего момента значительно превосходит эти значения у конкурентов. Минимальный удельный эффективный расход топлива сопоставим с ЯМЗ-238НД8. С учетом новизны и технологичности данного ДВС, значение в 205,5 (г/кВт.ч) к достоинствам можно отнести с некоторой натяжкой. Бесспорным достоинством является высокий 4-й экологический класс двигателя.

Недостатком будем считать худший удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности, невысокий ресурс на фоне серии двигателей ЯМЗ-536, низкую локализацию элементов ДВС (бóльшая часть элементов сделана в Китае). Также сюда можно отнести высокую стоимость, малый вес и высокие требования к обслуживанию, топливу и маслу.

Рис. 6. Cummins QSL8,9-C 340

Двигатель ЯМЗ-536 (рис. 7) по удельному эффективному расходу топлива на режиме максимального вращающего момента значительно, на 11–18 г/(кВт.ч), превосходит остальные ДВС. Уровень выбросов вредных компонентов с отработавшими газами соответствует экологическому классу Euro 4 (Tier 3/ Stage 3a). К плюсам относятся увеличенный до 12 000 моточасов ресурс до капитального ремонта и хорошая переносимость отечественного топлива. Применение современного семейства двигателей ЯМЗ-536 требует дополнительных расходов на покупку самого двигателя и на его обслуживание. Кроме того, для обслуживания электронных систем двигателя необходимо применение дорогостоящего диагностического оборудования и обучение персонала. Масса двигателя не является сильной стороной для рассматриваемых промышленных тракторов.

Рис. 7. ЯМЗ-536

В рамках постановления правительства РФ о переводе на газовое топливо не менее половины общественного транспорта, Ярославский моторный завод начал серийно выпускать двигатели для коммерческого транспорта, работающие на природном газе. Одной из них является двигатель Ярославского моторного завода ЯМЗ-53644 CNG (рис. 8).

Двигатель по техническим характеристикам существенно уступает своему аналогу ЯМЗ-536, работающему на дизельном топливе. Удельный эффективный расход топлива газового двигателя сопоставим с расходом топлива двигателей Д-180 и ЯМЗ-236М2. Но при этом необходимо учитывать, что стоимость метана в четыре раза дешевле дизельного топлива. Уровень выбросов вредных компонентов с отработавшими газами двигателя ЯМЗ-53644 CNG соответствует экологическому классу Euro 5, что делает возможным применять технику в закрытых и непроветриваемых помещениях.

Рис. 8. ЯМЗ-53644 CNG

Ресурс газового двигателя до капитального ремонта составляет 12 000 моточасов. Использование газового двигателя в составе промышленного трактора увеличивает его стоимость из-за высокой стоимости двигателя, которая сопоставима со стоимостью двигателя Д-180. Обслуживание двигателя требует применения дорогостоящих расходных материалов и сложного диагностического оборудования.

В следующей статье будет рассмотрен вопрос выбора оптимальных скоростных режимов работы данных ДВС, проведен анализ расхода топлива в теории и на практике. Обсудим тему взаимодействия ДВС и различных вариантов трансмиссии, а также использования современных систем управления и контроля в рамках топливной экономичности машины.

">Рис. 3. Тракторный двигатель Д-180 производства «ЧТЗ-Уралтрак»

К недостаткам можно отнести повышенный удельный расход топлива и высокую стоимость, большой размер ДВС. А также низкий экологический класс, исключающий использование техники в закрытых и плохо проветриваемых помещениях, на машинах, к которым предъявляются более строгие экологические требования и регламенты.

У двигателей ЯМЗ-236М2 (рис. 4) и ЯМЗ-238 (рис. 5) к достоинствам можно отнести невысокую стоимость, возможность выбора разных модификаций двигателя с разным уровнем форсировки по мощности и соответствие экологическому классу до Euro 2. В связи с применением данных двигателей на различном автомобильном транспорте их плюсами являются большая распространенность и низкая стоимость запасных частей, знание конструкции и понимание ремонтных технологий механизаторами по всему СНГ. Меньший удельный расход топлива для наддувной модификации двигателя ЯМЗ-238НД8 на режимах номинальной мощности и режиме максимального вращающего момента на 3–6 г/(кВт.ч) соответственно в сравнении с тракторным двигателем Д-180.

Рис. 4. ЯМЗ-236 М2

К недостаткам семейства двигателей ЯМЗ-236/ 238 можно отнести малую массу и высокую частоту вращения коленчатого вала в сравнении с тракторным двигателем Д-180. Частный случай – безнаддувная модификация двигателя ЯМЗ-236М2 менее экономична, удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности составляет 227 г/(кВт.ч) против 218 г/(кВт.ч) у Д-180, максимальный вращающий момент почти в два раза меньше в сравнении с двигателем Д-180.

Рис. 5. ЯМЗ-238

К достоинствам двигателя Cummins L8,9-C 340 (рис. 6) можно отнести высокую эффективную мощность при небольших габаритных размерах, условно постоянный максимальный вращающий момент, равный 1455 Н·м в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала, пиковое значение вращающего момента значительно превосходит эти значения у конкурентов. Минимальный удельный эффективный расход топлива сопоставим с ЯМЗ-238НД8. С учетом новизны и технологичности данного ДВС, значение в 205,5 (г/кВт.ч) к достоинствам можно отнести с некоторой натяжкой. Бесспорным достоинством является высокий 4-й экологический класс двигателя.

Недостатком будем считать худший удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности, невысокий ресурс на фоне серии двигателей ЯМЗ-536, низкую локализацию элементов ДВС (бóльшая часть элементов сделана в Китае). Также сюда можно отнести высокую стоимость, малый вес и высокие требования к обслуживанию, топливу и маслу.

Рис. 6. Cummins QSL8,9-C 340

Двигатель ЯМЗ-536 (рис. 7) по удельному эффективному расходу топлива на режиме максимального вращающего момента значительно, на 11–18 г/(кВт.ч), превосходит остальные ДВС. Уровень выбросов вредных компонентов с отработавшими газами соответствует экологическому классу Euro 4 (Tier 3/ Stage 3a). К плюсам относятся увеличенный до 12 000 моточасов ресурс до капитального ремонта и хорошая переносимость отечественного топлива. Применение современного семейства двигателей ЯМЗ-536 требует дополнительных расходов на покупку самого двигателя и на его обслуживание. Кроме того, для обслуживания электронных систем двигателя необходимо применение дорогостоящего диагностического оборудования и обучение персонала. Масса двигателя не является сильной стороной для рассматриваемых промышленных тракторов.

Рис. 7. ЯМЗ-536

В рамках постановления правительства РФ о переводе на газовое топливо не менее половины общественного транспорта, Ярославский моторный завод начал серийно выпускать двигатели для коммерческого транспорта, работающие на природном газе. Одной из них является двигатель Ярославского моторного завода ЯМЗ-53644 CNG (рис. 8).

Двигатель по техническим характеристикам существенно уступает своему аналогу ЯМЗ-536, работающему на дизельном топливе. Удельный эффективный расход топлива газового двигателя сопоставим с расходом топлива двигателей Д-180 и ЯМЗ-236М2. Но при этом необходимо учитывать, что стоимость метана в четыре раза дешевле дизельного топлива. Уровень выбросов вредных компонентов с отработавшими газами двигателя ЯМЗ-53644 CNG соответствует экологическому классу Euro 5, что делает возможным применять технику в закрытых и непроветриваемых помещениях.

Рис. 8. ЯМЗ-53644 CNG

Ресурс газового двигателя до капитального ремонта составляет 12 000 моточасов. Использование газового двигателя в составе промышленного трактора увеличивает его стоимость из-за высокой стоимости двигателя, которая сопоставима со стоимостью двигателя Д-180. Обслуживание двигателя требует применения дорогостоящих расходных материалов и сложного диагностического оборудования.

В следующей статье будет рассмотрен вопрос выбора оптимальных скоростных режимов работы данных ДВС, проведен анализ расхода топлива в теории и на практике. Обсудим тему взаимодействия ДВС и различных вариантов трансмиссии, а также использования современных систем управления и контроля в рамках топливной экономичности машины.