А. А. Видманов, А. М. Панюшин – ООО «Катерпиллар СНГ»

Два десятилетия назад компания Катерпиллар представила на рынок дизель-генераторные установки серии 3500. Они были созданы на базе самых передовых технологий, изменивших двигателестроение того времени. Среднеоборотные дизельные и газовые двигатели стали уступать место более легким и эффективным высокооборотным приводам, мощность которых значительно увеличилась. Однако уже к началу 21 века стала очевидной необходимость разработки ещё более мощных и компактных двигателей.

Разработка нового двигателя началась в конце 1990-х гг. с определения сегментов энергетического рынка, где он мог бы быть наиболее востребован. Компания Катерпиллар провела многоэтапное исследование для определения основных требований заказчиков, предъявляемых к двигателям и генераторным установкам на рубеже 21 века.
Было выяснено, что, прежде всего, – это увеличенная мощность для высокооборотных двигателей (и, соответственно, большая удельная мощность – кВт/кг), соответствие настоящим и будущим требованиям по выбросам вредных веществ, надежность оборудования, длительный срок службы, передовые эксплуатационные параметры, доступность технического обслуживания, а также низкие капитальные и эксплуатационные затраты.
Таким образом, проведенное исследование рынка стало основой для разработки спецификаций на двигатели и энергоустановки. Были также определены основные требования, предъявляемые к энергоблоку в целом. Их выполнение обеспечило создание оптимального и надежного оборудования, востребованного рынком.
Новый двигатель получил обозначение С175 (число означает диаметр цилиндра). Изначально С175 разрабатывался для нужд электроэнергетики. В дальнейшем предусматривается его использование в нефтегазовой отрасли, на морских и речных судах, в различных отраслях промышленности, а также в качестве привода для горнодобывающей техники.
При разработке двигателя были использованы передовые достижения в области проектирования, включая технологии компьютерного моделирования процессов и узлов, аналитические программы. Применение трехмерного моделирования позволило избежать создания многочисленных прототипов и образцов компонентов двигателя, что в конечном итоге снизило стоимость разработки двигателя.
Среди основных достоинств семейства двигателей С175 нужно отметить следующие:
•    широкий диапазон единичной мощности установок – от 2000 до 4000 кВт;
•    использование блоков полной заводской готовности, включающих генераторы SR 5, системы управления EMCP 3, встроенный или выносной радиатор;
•    надежность в эксплуатации (семейство С175 создано с использованием опыта разработки, производства и эксплуатации двигателей серии 3500, имеющих огромную наработку в различных условиях эксплуатации). Лабораторные и полевые испытания в течение тысяч часов подтвердили все заявленные параметры;
•    низкие уровни эмиссии, соответствующие экологическим стандартам США ЕРА Tier 2, а также европейским стандартам IIIB;
•    оптимизированные эксплуатационные затраты благодаря сниженному расходу топлива, увеличению интервалов между заменами масла, а также увеличенному сроку службы компонентов и систем;
•    сервисная поддержка оборудования, осуществляемая через развитую дилерскую сеть в странах СНГ и России, с возможностью получать запчасти и услуги по формату 24/7/365.
В состав двигателя С175 входят пять основных систем: воздушная, топливная, электронная система управления, охлаждения и смазки. Первые три являются основными системами, в которых используется технология ACERT (Advanced Combustion Emissions Reduction Technology), внедрённая компанией Катерпиллар в 2005 г.
В системе подачи воздуха двигателя С175 применены новые конструкторские разработки – высокая крышка цилиндров, обеспечивающая движение воздуха на входе в цилиндр и выход выхлопных газов (cross-flow) с минимальной теплопередачей между этими потоками и низким аэродинамическим сопротивлением. В конструкции турбокомпрессора применено литое титановое рабочее колесо, позволяющее продлить срок службы турбокомпрессора до 28000 часов работы (для исполнения 50 Гц). КПД турбокомпрессора увеличен до 60%, что ведёт к увеличению топливной экономичности всего двигателя.
Фундаментальным технологическим решением ACERT, использованным в топливной системе С175, является наличие топливной линии высокого давления (Cat Common Rail Fuel System). Поддержание давления в ней (около 180 МПа) осуществляется топливным насосом высокого давления (ТНВД) и регулирующим клапаном, которые управляются электронным блоком ADEM A4 ECM. В такой топливной системе во время одного цикла зажигания осуществляются многократные впрыски топлива в цилиндр. Управление объемом подаваемого топлива и временем впрысков происходит с большой точностью, за счет чего достигается высокая топливная экономичность и значительное снижение выбросов. Это также обеспечивает отличные характеристики переходных режимов – сброса-наброса нагрузки – и облегчает «холодный» пуск.
Двустенные (типа «труба в трубе») топливопроводы высокого давления сконструированы таким образом, что любая утечка топлива поступает в межтрубное пространство с низким давлением и направляется в топливный бак. Применение Cat Common Rail Fuel System позволяет снизить циркуляцию топлива в системе и во многих случаях отказаться от применения теплообменника охлаждения топлива, что положительно сказывается на весе и габаритах всей установки.
Основным элементом системы управления (третьей системы, в которой используется ACERT) является контроллер ADEM A4 ECM, позволяющий обеспечить вышеупомянутые характеристики по топливной экономичности и выбросам. Кроме того, он позволяет точно поддерживать скорость циркуляции охлаждающей жидкости, вязкость масла, что повышает надёжность и долговечность всей системы в целом.
Система управления также имеет функцию электронной диагностики и поиска неисправностей. Например, стало возможным электронное диагностирование неисправностей в системе охлаждения без демонтажа термостата, что повышает коэффициент технической готовности и надёжности установки. ADEM A4 обрабатывает показания 30 датчиков, установленных на агрегатах двигателя, управляет всеми топливными форсунками, обеспечивает защиту двигателя, диагностику более 100 эксплуатационных параметров, а также анализ и архивирование всех полученных данных. Система управления в стандартном исполнении включает в себя панель EMCP 3.1, позволяющую контролировать системы двигателя и генераторной установки через единый цифровой дисплей. По желанию заказчиков установки могут комплектоваться панелями управления EMCP 3.2. и EMCP 3.3.
Система охлаждения двигателя разработана с целью минимизации выделения тепла и, следовательно, увеличения общей эффективности. Акцент сделан на съём тепла с элементов двигателя, которым охлаждение необходимо в первую очередь, как в случае с гильзой цилиндров с опорой в центре (mid support cylinder liners).
Также уменьшена длина выхлопного патрубка, что снижает выделение тепла в систему охлаждения рубашки. Теплообменник охлаждения воздуха после турбонаддува – двухступенчатый, трубчатый, жесткой конструкции, с оребрением. Коллектор выхода охлаждающей жидкости интегрирован в блок цилиндров, что снижает вероятность повреждения в сочленениях и болтовых соединениях.
Система смазки двигателя С175 предусматривает использование двух форсунок подачи масла на цилиндр. Давление в системе поддерживается оптимальным на всех режимах и нагрузках с помощью клапана-регулятора. Он также позволяет улучшить характеристики пуска из «холодного» состояния двигателя, поднимая давление в системе до необходимого менее чем за 4 секунды. Интервалы замены масла увеличены с 500 до 600 часов, что способствует снижению эксплуатационных расходов.
Множество технологических новшеств реализовано в конструкциях основных компонентов двигателя С175: коленвале, подшипниках, поршнях, шатунах, блоке, гильзах цилиндров, головке, клапанах и клапанном механизме, распредвале.
Для использования в составе генераторной установки С175 было разработано новое поколение бесколлекторных генераторов серии SR5. Они выпускаются в низковольтном и высоковольтном исполнении. Изоляция генератора соответствует требованиям Class H, шаг обмотки – 2/3.
Генераторы оснащены стандартной системой магнитного возбуждения, но могут комплектоваться новой системой внутреннего возбуждения (internal excitation option). Цифровой регулятор напряжения CDVR с датчиками на трёх фазах осуществляет управление коэффициентом мощности.
Исполнение радиатора установки возможно в двух вариантах – вертикальном и горизонтальном (вынесенном). Применяемые электровентиляторы – двухскоростные.
Сначала будет выпускаться 16-цилиндровая модель дизельного двигателя. Производство генераторных установок на базе этих двигателей планируется начать во второй половине 2007 года. Затем планируется производство 20и впоследствии 12-цилиндровых двигателей. Генераторные установки С175 могут использоваться в качестве резервных и основных источников питания для энергообеспечения промышленных предприятий различных отраслей, медицинских учреждений, учебных заведений, отелей и курортов, строительных площадок, телекоммуникационных центров и других объектов.