Сравнительный анализ экономической эффективности использования силовых установок на промышленном тракторе класса тяги 10 т (Часть 2)

Выбор оптимального скоростного режима работы исследуемых двигателей можно проиллюстрировать усеченной внешней скоростной характеристикой, представленной на графике (предыдущие рисунки и текст смотри в первой части).

Максимальный вращающий момент и минимальный удельный эффективный расход топлива для двигателя Д-180 располагается в диапазоне частоты вращения коленчатого вала 900–1000 об/мин. Для ЯМЗ-236М2 оптимальным диапазоном работы, где достигается максимальный вращающий момент при минимальном удельном расходе топлива, будем считать 1200–1500 об/мин. Оптимальным режимом работы для ЯМЗ-238НД8 будем считать частоту вращения коленчатого вала 1300–1500  об/мин.

Предпочтительный режим работы двигателя Cummins L8,9-C 340 в составе промышленного трактора располагается в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала 1100–1500 об/мин, при котором обеспечивается постоянство величины максимального вращающего момента в 1455 Н.м и минимального удельного расхода топлива 210,5 (г/кВт.ч). Для ЯМЗ-536 оптимальный диапазон частот вращения расположился в интервале 1200–1600 об/мин. Кроме того, оптимальные процессы газообмена и топливоподачи, а следовательно, «хорошо» управляемый процесс сгорания при данных частотах вращения коленчатого вала, позволяют иметь постоянный пиковый вращающий момент и минимальный удельный эффективный расход топлива. Газовый двигатель ЯМЗ-53644 CNG будет выдавать постоянный максимальный вращающий момент при минимальном удельном эффективным расходе топлива в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1100–1700 об/мин.

Проанализируем расход топлива исследуемых двигателей, данные которых сведены в табл. 1.

Из-за отсутствия статистических данных о реальных режимах работы промышленного трактора, данные, представленные в табл. 1, носят теоретический характер. При заполнении таблицы полагаем, что трактор за смену работает с разной нагрузкой от максимальной (режим максимального вращающего момента) до работы на холостом ходу при вынужденном простое. За одну смену принимаем 12 ч работы. Как было сказано ранее, двигатель работает с разной нагрузкой, допустим, если больше простоев, то целесообразно принять меньшую нагрузку (см. табл. 1, 1-й столбец). Если трактор работает бóльшую часть времени со средней или полной нагрузкой, то из табл. 1 принимаем значения, соответствующие средней или полной нагрузке. Средний расход топлива за смену, указанный в табл. 1, определен как среднеарифметическое для каждого двигателя в отдельности. При этом в расчет не идут современные системы экономии топлива в целом у машины, которые будут рассмотрены далее. Пока считаем только чистое потребление топлива ДВС при абсолютно одинаковой конструкции машины. Из анализа табл. 1 можно заключить следующее: для выработки единицы мощности больше всего топлива тратят Д-180, ЯМЗ-236М2 и ЯМЗ-53644 CNG, далее практически рядом идут двигатели Cummins L8,9-C 340 и ЯМЗ-238НД8. Самым экономичным оказался ЯМЗ-536, разница между самым прожорливым и самым экономичным составила 23 л дизельного топлива. В рублевом эквиваленте максимальная разница составляет чуть больше 1 тыс. руб. Расход газового двигателя в литрах сопоставим с расходом топлива двигателей Д-180 и ЯМЗ-236М2. Но при этом литр газа почти в 4 раза дешевле литра дизельного топлива. Следовательно, за смену газовый двигатель ЯМЗ-53644 CNG в сравнении с Д-180 и ЯМЗ-236М2 способен сократить расходы на топливо до 8 тыс. руб., что составляет 63–65% от стоимости топлива за смену для двигателей Д-180 и ЯМЗ-236М2. Сравнение самого экономичного дизельного двигателя ЯМЗ-536 с газовым ЯМЗ-53644 CNG также позволяет сократить расходы на топливо до 7 тыс. руб., что составляет 60–62% от стоимости топлива за смену для ЯМЗ-536.

Затраты на обслуживание исследуемых двигателей представлены в табл. 2. За один календарный год считаем, что машина работает 2000 моточасов.

Наименьшие разовые затраты на обслуживание приходятся на двигатели ЯМЗ-236М2, далее следуют ЯМЗ-238НД8 и Д-180. Наибольшие разовые расходы приходятся на двигатели ЯМЗ-53644 CNG, Cummins L8,9-C 340 и ЯМЗ-536. Увеличение расходов на ТО обусловлено более высокой стоимостью запчастей и применением дорогого масла из-за современной конструкции данных ДВС. Однако у современных ДВС периодичность ТО составляет 500 моточасов в отличие от 250 моточасов у устаревших ДВС. В связи с этим видим, что по затратам на дистанции ЯМЗ-536 оказывается самым экономически выгодным, а Д-180 – наиболее дорогим, в 1,53 раза.

Теперь проведем анализ взаимодействия ДВС с основными возможными тракторными трансмиссиями.

1. Механическая трансмиссия – самый устаревший вариант для промышленных тракторов. В сочетании с правильно подобранной коробкой передач подходит любой из представленных ДВС. Однако в России в настоящий момент серийно производится всего одна тракторная механическая коробка серии 20-12-ххх, которую изготавливает завод ЧТЗ. Данная КПП может работать лишь с низкооборотистыми ДВС, к которым среди рассматриваемых относится только Д-180.
2. Гидромеханическая трансмиссия – классический вид трансмиссии, для работы с которой требуются высокие обороты и крутящий момент ДВС. Данным условиям соответствуют все рассматриваемые ДВС, кроме Д-180 (низкая скорость вращения) и ЯМЗ-236 (низкий крутящий момент).
3. Гидростатическая трансмиссия – самый актуальный и перспективный на сегодняшний день вид трансмиссии для среднеразмерных тракторов (от 8-го до 25-го классов тяги) (обзор тенденций развития конструкции новых моделей бульдозеров разных производителей, подтверждающих это, будет проведен в одной из следующих статей цикла). Основные требования к ДВС – это высокие обороты и возможность электроуправления. Данным критериям соответствуют лишь современные Cummins L8,9-C 340 и ЯМЗ 536.
4. Дизельно-электрическая гибридная трансмиссия по требованиям и принципу работы очень похожа на гидростатическую трансмиссию. Сейчас серийно применяется только на бульдозере Cat D7E, более широкое использование ограничено высокой стоимостью и сложностью элементной базы. Поэтому в течение ближайших 5–10 лет массовое применение на бульдозерах и вытеснение ГСТ не прогнозируется.

Следующий фактор при выборе ДВС – возможность применения современных топливосберегающих систем. Более подробно конструкция, экономические и мощностные расчеты данных систем будут описаны в следующей статье цикла, тут приведем лишь общие данные.

1. Привод вентилятора: существует механический привод, привод вискомуфтой, гидропривод Fan Drive. В среднем при устоявшемся цикле работы механический привод потребляет 7–10% от общего топливопотребления машины, вискомуфта – 5–6%, гидропривод – 3%. Ввиду отсутствия портов отбора мощности для установки гидронасоса Fan Drive двигатели Д-180, ЯМЗ 236 и 238НД8 можно агрегатировать либо механической крыльчаткой (базовая комплектация), либо приводом с вискомуфтой. Современные ДВС обладают возможностью легко смонтировать два дополнительных насоса отбора мощности, а также имеют контроллер и электронное снятие параметров температуры всех систем. Тем самым реализуются все возможности системы Fan Drive.
2. Реализация ЭКО-режима работы – наличие собственного контроллера у ДВС позволяет автоматически поддерживать необходимые обороты и топливоподачу ТНВД независимо от нагрузки, а также реализовать снижение оборотов до холостого хода при отсутствии нагрузки или простое бульдозера. Это позволяет экономить от 5 до 15% топлива при разных режимах работы техники и уровня подготовки оператора. Такая возможность отсутствует у Д-180, ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238НД8.
3. Наличие системы Common Rail (аккумуляторная топливная система) – позволяет достичь современных экологических норм и небольшой экономии топлива. Отсутствует на Д-180, ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238НД8.

Выводы

По результатам исследований можно заключить следующее.

1. Применение на промышленном тракторе двигателей ЯМЗ-536 и Cummins L8,9-C 340 в сравнении с двигателями Д-180, ЯМЗ-236М2 и ЯМЗ-238НД8 обеспечивает экономию на топливе за смену от 5 до 8% соответственно. В сочетании со всеми возможными современными системами топливной экономичности общая экономия может достигать 25%. Если рассмотреть возможность установки газового двигателя ЯМЗ-53644 CNG, то денежная экономия на топливе за смену работы машины может достигать 65%.
2. Двигатели Cummins L8,9-C 340, ЯМЗ-536 и ЯМЗ-53644 CNG обеспечивают практически неизменный (постоянный) вращающий момент и минимальный удельный эффективный расход топлива в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала.
3. Двигатель Cummins L8,9-C 340 в сравнении с другими двигателями, представленными в табл. 1, имеет самую высокую мощность и самый высокий вращающий момент, реализуемый в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя.
4. Двигатели Cummins L8,9-C 340 и семейство двигателей ЯМ-536 требуют использования дорогого диагностического оборудования, стоимость технического обслуживания выше. Однако увеличенный в два раза межсервисный интервал в итоге значительно экономит средства пользователя.
5. Семейство двигателей ЯМЗ-236/238 примерно схоже с двигателем Д-180 по периоду создания. Модификация двигателя ЯМЗ-236М2 имеет самую низкую собственную стоимость и минимальные затраты на техническое обслуживание. Двигатель ЯМЗ-536, превосходящий по техническим характеристикам и стоимости владения двигатель Д-180, дешевле его почти на 200 тыс. руб.
6. Увеличенный ресурс на 2000 моточасов до капитального ремонта у двигателей ЯМЗ-536 и ЯМЗ-53644 CNG.
7. Двигатели ЯМЗ-536, Cummins L8,9-C 340 и ЯМЗ-53644 CNG соответствуют высоким экологическим стандартам Euro 4 и Euro 5. Высокий экологический класс делает возможным применение техники в закрытых и плохо проветриваемых помещениях.