Созданы для стройки

Двигатели, применяемые на строительной технике, можно разделить на универсальные и специальные. Универсальные имеют широкое хождение, их устанавливают как на строительные машины – погрузчики, асфальтоукладчики, краны, тракторы и т. д., так и на автомобили – грузовики и автобусы. Они неплохо уживаются в обоих этих мирах, иначе не были бы так распространены. Их наиболее известные зарубежные представители – Deutz и Cummins, отечественные – ЯМЗ и ММЗ.

Однако именно в силу своей универсальности они недотягивают до требуемых для строительной техники параметров. Стремление к идеалу подвигает производителей строительного оборудования заниматься собственными разработками специальных двигателей и моторным производством. Речь идет о Liebherr и JCB, поставляющих в Россию технику с двигателями нового поколения.

Условия работы строительной машины предъявляют определенные требования к двигателю и оказывают влияние на его конструкцию, отличную от конструкции универсальных и тем более автомобильных двигателей. Тихоходные строительные машины работают в цикличном режиме, и от них ждут быстрой реакции при максимальной загрузке, а крутящий момент должен достигать максимума уже на низких оборотах, т. е. нужен низкооборотный длинноходный двигатель с большим объемом цилиндров. Специальные двигатели массивней: во-первых, таким образом снижается вибрация и увеличивается ресурс, а во-вторых, на многих типах машин двигатель выполняет функцию противовеса и дополнительная масса ему только на пользу.

Разработка двигателя и организация производства процессы сложные и требуют многомиллионных инвестиций. Так, проект JCB поглотил 80 млн. ф. ст. Двигатель разрабатывают с большим запасом на будущее, с возможностью его неоднократной модернизации. По сложившейся практике проектируют самый мощный двигатель, остальную моторную линейку формируют методом дефорсирования.

Изначально компания Liebherr использовала продукцию Deutz, Cummins и Mercedes-Benz, но в 1970-е гг. поднявшаяся волна рекламаций послужила толчком к тому, чтобы компания приняла решение открыть собственное моторное производство, и тогда она получила бы силовые установки, наилучшим образом отвечающие ее требованиям, а также возможность тотального контроля качества, а зависимость от поставщиков была бы ликвидирована.

Двигатель JCB с роторным ТНВД

Как раз в то время в компании Deutz сокращали персонал, и в Liebherr первая группа разработчиков пришла именно оттуда. И все-таки утверждать, что двигатель Liebherr – это копия Deutz, в корне неверно. В Liebherr сразу начали работать над двигателем с жидкостным охлаждением, тогда как Deutz в это время занималась только воздушным охлаждением.

Ханц Либхер, основатель и владелец компании, будучи по профессии строителем, поставил задачу разработать двигатель, оптимизированный для техники Liebherr и соответственно отличающийся и характеристиками, и конструктивно от универсальных агрегатов Deutz. Х. Либхерр настоял на том, чтобы двигатель был массивней, с увеличенным ходом поршня и низкими номинальными оборотами. Так в Liebherr возникла своя конструкторская школа. Первый прототип двигателя увидел свет в 1983 г. в Кирхдорфе, где сегодня собирают колесные экскаваторы. Серийное производство началось в 1989 г. на заводе в Бюлле, Швейцария.

Каковы же главные «фамильные» черты двигателей Liebherr? Как уже отмечено, это двигатели с жидкостным охлаждением, массивные, длинноходные и низкооборотные – максимум 2200 мин^-1. Навесное оборудование кроме генератора и компрессора приводится зубчатыми передачами. У двигателей очень глубокий картер, для того чтобы при наклоне машины до 45° в любую сторону маслозаборник не обнажался и не возникала угроза масляного голодания. Система смазки снабжена маслоохладителем. Головки блока цилиндров выполнены раздельными, и в этом еще одно отличие от Deutz. Все точки обслуживания выведены на одну сторону. Так делают не только для удобства ежедневного обслуживания, но и исходя из требований к конструкции отдельных типов машин. Так, к двигателю экскаватора оператор имеет доступ только с одной стороны.

V-образная «шестерка» Liebherr перед установкой на кран

Для нового поколения техники Liebherr центр разработки и производства двигателей в Бюлле предоставил две линейки двигателей, отвечающих требованиям норм токсичности отработавших газов EC 97/68 Stage 3A и EPA/CARB Tier 3. В одной линейке – рядные 4- и 6-цилиндровые дизели объемом 6,4...12 л (90...300 кВт), вторая линейка – это V-образные 8- и 12-цилиндровые дизели объемом 16,2 и 24,3 л (400...750 кВт). Работы шли в сотрудничестве с MAN, причем совместно вели исследования, а саму разработку – каждая компания самостоятельно.

При сохранении «фамильных» черт конструкция двигателей полностью переработана. Так, исследования показали, что увеличение температурной нагрузки, необходимой для полного сгорания топлива, приводит к снижению надежности и ресурса двигателя. Для компенсации этого явления увеличили на 40% объем системы охлаждения и на 30% массу двигателя, а объем камеры сгорания и ход поршня увеличены на 6%.

Новые двигатели получили по четыре клапана на цилиндр, гасящие вибрацию компенсационные валы, систему рециркуляции отработавших газов. До 20% объема возвратных отработавших газов перепускается обратно в цилиндр через клапаны, остальные 80% возвращаются из выпускного тракта через систему рециркуляции с охладителем.

На рядные двигатели устанавливают топливную систему Bosch насос–трубка–форсунка с отдельными насосами высокого давления (1650 бар) на каждый цилиндр. Момент и давление впрыска регулирует электронный блок управления. Возвращающееся в бак топливо охлаждается в радиаторе. Для V-образных двигателей применили аккумуляторную топливную систему Bosch Common Rail, которая обеспечивает как требуемую токсичность выхлопов, так и экономичность.

«Старшие» модели двигателей оснащены турбонаддувом с промежуточным охлаждением наддувочного воздуха. Все радиаторы объединены в модуль и, например, на погрузчиках помещены за кабиной – в наименее запыленном месте. Привод вентилятора стал гидрообъемным и не зависит от оборотов двигателя, а включается по необходимости. В принципе, это решение становится стандартным. На ряде моделей машин предусмотрен реверс вентилятора для очистки радиаторов, а для машин в »северном» исполнении – для быстрого прогрева двигателя.

Liebherr не поставляет свои двигатели на сторону, во-первых, потому, что вообще не придерживается такой политики, а во-вторых, завод в Бюлле полностью загружен заказами собственных производств Liebherr. Более того, компания использует не только собственные двигатели. Так, на новые средние фронтальные погрузчики L 524 2plus1 и L 528 2plus1, представленные на выставке BAUMA 2007, установлены двигатели John Deere.

Готовая продукция завода в Бюлле

JCB Power Systems – самая молодая из моторных компаний, но темпы ее роста впечатляют. Менее чем за три года, с момента пуска в ноябре 2004 г., завод в Дербишире (Великобритания) выпустил 50 тыс. двигателей. За этот год компания намерена изготовить 30 тыс. двигателей. Объем производства доведен до 170 двигателей в день (начинали со 100), а численность персонала – до 160 человек (начинали также со 100). Моторный завод обеспечивает производство экскаваторов-погрузчиков, телескопических, легких фронтальных погрузчиков, вилочных погрузчиков повышенной проходимости, больших погрузчиков с бортовым поворотом и дизель-генераторов, что в сумме составляет половину производственной программы JCB. Кроме того, двигатели поставляют канадскому производителю вилочных погрузчиков Sellick и североирландскому производителю думперов NC Engineering.

Компания долго вынашивала мысль дать своим машинам оптимальный, созданный по собственным спецификациям двигатель. Разработку вели в течение пяти лет в сотрудничестве с мировыми инжиниринговыми компаниями, в том числе Ricardo Consulting Engineers и AVL, оказавшими содействие в конструировании камеры сгорания, систем питания и выпуска, системы рециркуляции отработавших газов (EGR). С британской компанией Cosworth (сейчас это Mahle Powertrain Ltd.) взаимодействовали по вопросам производства головок и блоков цилиндров. Итогом всей этой многолетней напряженной работы стало семейство 4-цилиндровых агрегатов рабочим объемом 4,4 л, названное очень просто – 444. Не так давно семейству дали имя Dieselmax в честь гоночного аппарата JCB, поставившего рекорд скорости. Конечно, те два двигателя, приводившие болид в движение, имеют мало общего с серийной продукцией, зато явно демонстрируют технический потенциал компании.

JCB выпустила более 40 тысяч двигателей Stage 2/ Tier 2 мощностью 63 кВт (атмосферный), 74 кВт (наддувный) и 106 кВт (с интеркулером) с роторными ТНВД Lukas и Delfi. Основу производственной линейки составляют двигатели с топливной системой Bosch Common Rail Stage 3A/ Tier 3 мощностью 96, 106 и 118 кВт. До конца года продолжится выпуск последней модели с механическим впрыском мощностью 74 кВт, которая также соответствует требованиям Stage 3A/ Tier 3.

Двигатель JCB, установленный на телескопический погрузчик

Двигатели Dieselmax развивают максимальный крутящий момент при 1300 мин^-1, а их частота вращения ограничена 2200 мин^-1. Большой крутящий момент на малой скорости был одним из ключевых критериев – это дает машине мощность, необходимую для выполнения тяжелых операций на малых оборотах, позволяет быстро реагировать на изменение нагрузки, сокращает рабочий цикл и снижает шумность.

Большое значение придавали массивности, жесткости и прочности конструкции двигателя. Литой чугунный блок цилиндров с расточенными в нем цилиндрами сопряжен снизу с монолитной чугунной опорой коленчатого вала. Головка блока также монолитная и выполнена из чугуна. Тепловые зазоры в клапанах регулируют через специально оставленные окна. Прокладка головки блока представляет собой двухслойный «сэндвич», болты головки блока рассчитаны на однократную затяжку. Шатун штампуют целиком, а затем раскалывают ультразвуком. В результате получается абсолютно точный, неразъемный узел.

Двигатель с нижним расположением распредвала, с 4 клапанами на цилиндр. Каждая пара клапанов – впускных и выпускных – приводится одним коромыслом через Т-образный толкатель. Топливная система с многократным впрыском – 4...6 впрысков под давлением 1200...1800 бар. Чтобы гарантировать герметичность, демонтированный трубопровод высокого давления не устанавливают обратно, а заменяют новым. В поршне выполнена тороидальная камера сгорания, обеспечивающая оптимальное вихреобразование и заполнение камеры топливно-воздушной смесью. Два компрессионных и маслосъемное кольца устанавливает на заводе пневматический автомат. Установку кольца в соответствующую канавку контролирует система датчиков, а не сборщик, что исключает ошибки.

На двигателях Stage 2 применялась двухстадийная очистка топлива через фильтр-отстойник и фильтр тонкой очистки. На Stage 3A схема такая же, но обеспечивает более тонкую очистку. Воздух проходит через циклонный фильтр, бумажный фильтр и так называемую кассету безопасности, представляющую собой бумажный фильтр. Степень загрязненности кассеты сигнализирует о необходимости замены основного фильтра. Вентилятор системы охлаждения приводится гидравликой независимо от оборотов двигателя.

Двигатели на сборке бульдозеров Liebherr

Контроль качества производства можно охарактеризовать как тотальный, от контроля комплектующих, контроля каждого этапа сборки и до промежуточных и финальных испытаний. Сборка в значительной степени автоматизирована и снабжена средствами, предохраняющими сборщика от ошибки, как вышеупомянутый станок для установки на поршень колец.

Что ожидает нас в будущем? В 2011 г. вступят в силу еще более жесткие нормы Stage 3B/ Tier 4, достигаемые при условии двухступенчатого наддува, применения топливной системы Common Rail c давлением 2000 бар, регулируемой рециркуляции отработавших газов с охлаждением. К 2014 г., т. е. к моменту вступления в силу норм Stage 4/ Tier 4, двигатели приобретут каталитические нейтрализаторы отработавших газов и сажевые фильтры.