Предлагаю вашему вниманию страницы из неизданной книги «Выбор пути. По страницам истории конструкторской мысли». Книга была подготовлена к печати осенью 2008 года.Материал передала в Музей КАМАЗа Кимерал Аида Рафаиловна.
Движущие силы.
.
-Машина - зверь!
Из кинофильма «Кавказская пленница», 1967
.
- А в космос полетишь?
- Полечу. Если керосину хватит.
Из кинофильма «Укрощение огня», 1972
.
В истории конструкторской мысли есть темы, которые не удается отнести к одному
определенному этапу.
Они всплывают и настойчиво напоминают о себе везде и всегда, от разработки первого автомобиля до современности.
Рискнем отойти от хронологического порядка и поговорить более детально об одной
такой теме - что за сердце бьется в груди камских машин?
И какой путь прошли конструкторы-двигателисты?
История создания двигателя для КАМАЗа началась одновременно с историей самого
автомобиля.
Разница только в том, что готовые дизели с нужными характеристиками у иностранных производителей были.
И мотор серьезно собирались купить у зарубежной фирмы, более того - решение по
двигателю принимали буквально в последний момент.
Долгие переговоры вели, в частности, с «Daimler-Benz».
Знаменитый немецкий концерн запросил за лицензию слишком высокую цену, кроме того – удивительно, не правда ли? - поставить оборудование для производства такого
количества моторов затруднялся.
Было предложение от «Magirus-Deutz» - двигатель воздушного охлаждения, который
позже освоили на Кустанайском заводе для «УралАЗа».
Его сочли неперспективным, хотя фирма готова была недорого продать лицензию и
оборудование для производства.
Иностранные моторостроители задавали советской стороне все тот же вопрос: зачем вам завод на 250 тысяч больших одинаковых двигателей?
Мы вам дадим оборудование, быстро построите, завод на 60 тысяч двигателей.
Потом будет новая техника, новые технологии.
Вы построите следующие заводы под совершенно иные двигатели - другого уровня,
другого качества.
Вопрос был во многом риторический, обе стороны понимали лукавство ситуации.
Советскому Союзу действительно надо было ОЧЕНЬ МНОГО больших дизелей.
На КАМАЗы, комбайны и прочую гражданскую технику - и на БТРы…
И лучше одинаковых, огромный тираж делал их дешевыми.
Так что и двигатель решили делать сами.
Разработчиком, по решению министерства, стал Ярославский моторный завод (ЯМЗ) –
основной производитель советских автомобильных дизелей.
Ответственным назначили главного конструктора по двигателям Георгия Дмитриевича Чернышова.
На ЯМЗе тогда проектировали 6-цилиндровый агрегат мощностью 180 л.с. для ЗИЛ‑130.
Сложность была в том, чтобы поместить его под капот выпускаемой машины, не трогая конструкции самого грузовика.
Мотористы любят ворчать – мол, автомобилистам подавай такой двигатель, чтобы его
сунуть как комочек, куда хочешь, и чтобы он места не занимал, а энергию давал.
Говоря по-русски, «за копейку канарейку, чтобы пела и не ела».
Но задачу постепенно решали.
И эти наработки помогли, когда пошел камазовский проект - при бескапотной компоновке места для двигателя остается еще меньше.
Чернышев долго колебался, выбирая принципиальное решение.
Поначалу хотел сделать двигатель с прицепными шатунами, двумя верхними
распределительными валами - компактный, но довольно сложный конструктивно.
Такая схема требовала цельных головок блока цилиндров.
Возможно, к такому варианту его склонял знаменитый дизель В‑2, воевавший на танках
Т-34, КВ и их потомках.
При мощности 500-600 л.с. он весил всего 750 кг.
Прицепные шатуны, силуминовый блок с разъемом по оси коленвала, верхние
распределительные валы, 4 клапана на цилиндр, система смазки с сухим картером –
многое и в XXI веке выглядит как перспективные направления развития, а уж в 60-х….
Но в это время на завод пришли для изучения зарубежные аналоги.
Посмотрели двигатель «Daimler-Benz» М-304, где у каждого цилиндра головка отдельная, а клапанный механизм приводится нижним валом.
Вполне традиционная схема привлекала своей простотой, только материал для головок цилиндра решили изменить.
Немцы использовали чугун, а ЯМЗ как раз тогда получал массовые рекламации из
Казахстана, где целину поднимали тракторы К-700 с ярославскими моторами.
И там в чугунной головке блока часто возникали трещины из-за недостаточного
охлаждения тонких межклапанных перемычек.
Печальный опыт учли, применив более пластичный алюминий.
И для КАМАЗа остановились на раздельных алюминиевых головках и нижнем приводе газораспределительного механизма.
Это позволяло унифицировать конструктив для всей гаммы изделий – проект
предусматривал разработку шести-, восьми- и десятицилиндровых моторов.
К концу 1970-го уже начали строить первые образцы дизелей.
А в 1971-м концепцию двигателя для КАМАЗа рассмотрели на заседании технического совета Министерства автомобильной промышленности, с участием всех главных
конструкторов по двигателям.
Итогом высокого собрания и стал ЯМЗ-740 – V-образная «восьмерка» с рабочим объемом 10,86 л и мощностью 210 л.с. – мощность вывели на основе западного опыта.
У них 320 л.с. тянут автопоезд в 40 тонн, по 8 л.с. на тонну.
Значит, на наши 26 тонн нужно 210.
Врезка
С КАМАЗа началась долгожданная дизелизация. Теперь грузовик с карбюраторным
двигателем выглядит нелепостью. Так же, как автомобиль для междугородных перевозок, если бы он был без прицепа. Компоненты камских дизельных тягачей становились нормой для последующих разработок. В том числе такие, как делитель с многоступенчатой коробкой передач, тентовое покрытие грузовых платформ и многое другое. Подтвердилась прогрессивность камских конструкций, позволивших за счет новых материалов и небольших изменений систематически повышать грузоподъемность многих моделей.
Барун В.Н. Ступени
.
Потом ЯМЗ-740 переименовали в КАМАЗ-740, он и стал основным камазовским мотором.
Изменений впоследствии потребовалось, мягко говоря, немало, но принципиально все решили на том техсовете.
Работу над созданием нового силового агрегата необходимо было уложить в кратчайшие сроки.
Работа камазовских конструкторов на ЯМЗе дала двойной эффект.
Во-первых, они хорошо знали путь, по которому шли ярославцы, и помнили скользкие места на этом пути.
Что не смогли поправить сразу, потом дорабатывали в Челнах.
А во-вторых, все технологическое оборудование для выпуска моторов заказывали и осваивали тоже при них.
Потом это пригодилось – конструкторы хорошо знали возможности станков и линий.
Внизу автоматическая линия сборки двигателей.
Производительность линии 32 двигателя в час.
В 1973 после ухода первого главного конструктора по двигателям Виктора Петровича Попова на этот пост пригласили с барнаульского завода «Трансмаш» 42-летнего Александра Анатольевича Шестакова.
Утвердившись в должности, Шестаков счел, что откомандированные на ЯМЗ достаточно набрались опыта, пора перебираться ближе к производству.
В 1974 году конструкторская служба разместилась на КАМАЗе, а в мае в
экспериментальном цехе уже собрали первый двигатель.
Внизу на фотографии первый двигатель КАМАЗа на первомайской демонстрации 1974 года.
«Главный моторист» оказался человеком на своем месте.
Шестаков зорко видел внутреннюю суть проблем, умел настойчиво и планомерно
бороться с ними, находил красивые решения сам и помогал другим.
Любил и знал двигатели, обожал копаться в «железе» своими руками, мог встать за любой станок и приучил к этому работавшую с ним молодежь.
Незаменимые качества в долгой битве с дефектами ЯМЗ-740!
Поставленный на серийное производство мотор был «сырым», страдал непомерным
количеством «детских болезней».
Выявилось это в течение первого года эксплуатации новых машин.
Дефектов, заложенных в него на стадии проектирования, оказалось кошмарное
количество!
Не существовало узла или механизма, который не требовал бы вмешательства на уровне конструкции.
Шестерни маслонасоса разлетались, пробивая поддон картера.
Шатуны протягивали «братскую руку дружбы» сквозь пробоины в блоке…
Такое положение было вызвано страшной спешкой, в которой готовили двигатель.
Чернышев был хорошим конструктором.
И если бы у него было хотя бы два-три года нормальной работы, довел бы мотор до
кондиции.
По крайней мере, так говорят члены госкомиссии, принимавшей двигатель.
Через много лет они признавались, что ЯМЗ-740 не прошел без замечаний ни одного (!) испытания.
Но производство надо было запускать …
Тем временем и камазовские мотористы, которые больше года мыкались без помещения, осели на заводе двигателей.
Врезка.
КАМАЗ оказался на рубеже эпох, как раз в середине 70-х в мире менялись тенденции и в самих моторах, и в технологии производства. Когда мы в 1974-м уезжали на КАМАЗ из Ярославля, там уже конструкторы начинали работать на коробку передач с демультипликатором. Под изменяющиеся моменты двигателя, под повышение моментов – как раз для большой грузоподъемности.Чуть-чуть задержалось бы создание завода, и у нас коробка передач была бы совсем другой. И двигатель. И вся технология. А так – чтобы изменить коробку передач, надо было еще один завод строить.
Козадаев Александр Иванович - начальник бюро трансмиссий.
.
Это было полезно, потому что вносить изменения в условиях массового производства
всегда крайне сложно.
Близость производства позволяла конструктору досконально изучить вопрос на месте и свести затраты труда к минимуму.
Производство изменениям сопротивлялось, но выбора не было - мотор ненадежен,
требовалась всесторонняя доводка.
В итоге не осталось ни одной детали, не пережившей изменений.
Основные врожденные дефекты двигателя были сняты молодыми
двигателистами-камазовцами, хотя специалистов такого уровня, как на ЯМЗ,
в Набережных Челнах не было.
Ресурс в 250 000 км, которого они добились, был серьезным достижением.
В массовое производство пошел новый дизель, полностью собранный из отечественных комплектующих.
Это было важно – учитывая, что значительная часть продукции предназначалась для
армии.
Важнейшим этапом в развитии камазовских моторов стало внедрение турбонаддува.
К этому, в конечном счете, тоже подтолкнула ярославская недоработка.
Итак, V-образная «восьмерка» КАМАЗ-740 выдавала 210 л.с.
Для магистрального тягача нужна мощность повыше?
Нет проблем!
С высокой степенью унификации изготавливаем 10-цилиндровый двигатель на 260 л.с. – мощности по его производству запланировали заранее.
Вводим в строй мощности - и получаем двигатель.
Так было в теории.
Удлинившийся двигатель неприлично торчал из-под кабины, но это была не самая плохая новость.
Выяснилось, что «десятку» жестоко трясло и раскачивало.
Чтобы уравновесить мотор, нужны дополнительные валы и противовесы.
И газодинамика ярославской «десятки», мягко говоря, не сулила улучшения показателей топливной экономичности.
А тут еще начали наращивать грузоподъемность машин, повышенная мощность стала нужна не только магистральному тягачу.
Проблема требовала решения, и камазовские конструкторы стали присматриваться к
возможностям газотурбинного наддува.
В СССР турбонагнетатели успешно работали на крупных тихоходных (например, судовых и тепловозных) дизелях.
Но для автомобильных – быстроходных – двигателей турбонаддув не применялся.
Поначалу нагнетатель ставили на обычном двигателе с прямым впускным каналом.
Получалось, что там либо вообще ничего не горит, либо валит белый дым.
На ЯМЗе сожгли несколько машин, пытаясь применить турбокомпрессоры.
Отечественная наука пришла к заключению, что процесс неуправляем, это «не наш путь».
Дело в том, что подача воздуха турбокомпрессором растет быстрее, чем нужно двигателю. Приходится идти на компромиссы, в результате на холостых оборотах двигателя энергии выхлопных газов не хватает для того, чтобы как следует раскрутить турбину.
Воздуха мало, начинается некачественное горение.
А с раскруткой воздуха, наоборот, становится слишком много, он сильно нагревается сам и перегревает двигатель.
Нужны были глубокие исследования.
Вдобавок мешала инерция – при нажатии на педаль газа воздух нужен сразу, а ротор
турбокомпрессора должен еще разогнаться до 60 тысяч оборотов в минуту.
Это невозможно сделать мгновенно, и возникает так называемая «турбояма»: мотор не вовремя «задумывается», потом вдруг проявляет бешеную прыть.
Мирового опыта тогда тоже было недостаточно – наддув на автомобильных дизелях
массово пошел только в начале 80-х.
Так что конструкторы КАМАЗа занялись разработкой темы «факультативно» - на свой страх и риск, вопреки министерскому скепсису.
Идею турбонагнетателей продвигали горячие энтузиасты.
Критически изучали мировой и отечественный опыт, выезжали на ведущие иностранные фирмы.
Увидев, что на КАМАЗе темой занимаются всерьез, из Москвы в Челны перебрался блестящий инженер, кандидат технических наук Валерий Наумович Каминский (внизу на фотографии).
Он возглавил отдел, разрабатывавший наддувные моторы.
Начали с одного турбокомпрессора.
Потом, по предложению Каминского, приняли идею установки двух турбонагнетателей малой размерности.
Такую схему уже начинали применять за рубежом, но ярославцев она, по словам Баруна, «повергла в панику» и вызвала резкую критику.
Только после того, как на техсовете в министерстве идею поддержал видный специалист из МАМИ Я.А. Спунде, схема была принята.
А сам Каминский, по итогам разработок, сумел позднее защитить докторскую.
В 2014 году Валерий Наумович Каминский выпустил книгу «Жизнь с турбонаддувом»
В Музее КАМАЗа хранится электронная версия этой книги.
В итоге те же 260 сил, для которых была нужна «десятка», получили с «восьмерки»
благодаря турбонаддуву - намного проще, легче и дешевле.
Стало ясно, что так можно будет форсировать мотор и дальше.
Нужда в 10-цилиндровом двигателе отпала, оборудование для его производства
демонтировали и продали.
Камский гигант практически первым в СССР внедрил на конвейере турбонаддув –
двигатель КАМАЗ-7403 с двумя турбокомпрессорами.
Сейчас в Челнах все двигатели оборудованы наддувом - без этого невозможно добиться экологических показателей, не говоря уж о мощности и экономичности.
Внизу справка «О производстве турбокомпрессоров на КАМАЗе» подготовленная в феврале 1981 года Баруном Владимиром Наумовичем для Полякова Виктора Николаевича.
1981
Правда, турбокомпрессор ТКР-7Е совсем не похож на тот, что привез Каминский, нет ни подшипников в виде моновтулки, ни алюминиевого корпуса подшипников.
Здесь опять сработал камазовский конструкторский дух.
Олег Тарханов, в итоге возглавивший бюро агрегатов наддува, и молодой специалист
Борис Морозов, решили разобраться поглубже.
И выявили «периодический закон» конструирования турбокомпрессоров - в зависимости от места расположения одной из самых малозначимых деталей – болтов крепления
турбины.
Несмотря на запреты начальника, новый турбокомпрессор начертили и рассчитали во внерабочее время, даже изготовили на «самопальной» оснастке.
Видимо, «каёвская» закалка сказывалась в том, что агрегат стал приобретать характерные обтекаемые черты.
И гоняли новорожденные турбокомпрессоры на стенде, сделанном испытателями Наиля Абдуловича Гатауллина из частей двигателя истребителя «Миг».
Кстати, стенд этот до сих пор работает (по состоянию на 2008 год).
Конструкторские решения часто идут по восходящей спирали.
Когда турбонаддув только появился, во всем мире ставили один большой
турбокомпрессор.
КАМАЗ внес поправку – ставить два компрессора поменьше.
Компонуются удобнее, так что идея прижилась.
Сейчас даже на легковушках два небольших компрессора - стандартное решение, а уж на больших V-образных моторах грузовиков и подавно.
Двухкомпрессорный дизель пресловутую турбояму преодолевает легко, у него время
реакции меньше – потому что маленький ротор быстрее разгоняется.
Двигатель получается более динамичный.
Но, как известно, за все надо платить.
Во-первых, агрегатов два, хотя и маленьких, а это дороже, чем один побольше.
Надо два ремонтировать, за двумя следить.
Во-вторых, КПД маленького агрегата всегда немного ниже, чем большого, по законам аэродинамики.
Зато маленькие работают на коротких импульсных патрубках и более эффективно
используют тепло выхлопных газов.
А когда тянешь выхлопную трубу до большого компрессора, часть тепла теряется по
дороге – и этих небольших выгод тогда хватило, чтобы перевесить плюсы
однокомпрессорного решения.
Теперь ситуация снова меняется, мощности двигателей выросли.
Потери тепла на большом компрессоре по абсолютной величине остались теми же, но их удельная доля снизилась, они стали не так значимы, как раньше.
И сейчас, с повышением наддува, появлением регулирования, спасающего от «передува», пошла новая волна развития – ставить один турбокомпрессор.
Получается такая форма развития - петля с ростом.
А на следующем витке, вероятно, опять появится двойной наддув…
Врезка.
А еще была эпопея – на КАМАЗ вместо дизеля поставили специальную двухконтурную газовую турбину. Инициатива исходила от Азаматова. Грузовик великолепно ездил, шел как легковушка – в момент разгонялся до сотни. Была одна-единственная проблема –
выхлоп сделали в сторону тротуара, так что шляпы с прохожих сносило сразу…
Это была специальная двухконтурная автомобильная турбина, в министерстве было
специальное КБ для разработки автомобильных газовых турбин
Морозов Борис Михайлович.
.
Заметим в дополнение, что камазовских инженеров интересовал не только газотурбинный наддув.
Успешно проходили испытания комбинированные системы, когда в помощь
турбокомпрессору подключается механический нагнетатель с приводом от коленвала – так можно получить больше 500 л.с., а заодно и от «турбоямы» избавиться.
.
Следующий крупный этап в развитии камазовских двигателей – внедрение системы
охлаждения наддувочного воздуха.
КАМАЗ сразу повысил и уровень экономичности моторов, и экологический уровень – по требованиям стандартам «Евро-2» и следующих.
Кстати, основные этапы видны даже неискушенному человеку – на машинах экспортного исполнения появлялись все новые надписи: TURBO, INTERCOOLER, EURO-3.
Ренат Хурамшич Хафизов рассказывает:
«Разрабатывая охлаждение, перебрали много вариантов - разные вентиляторы, спереди, сзади.
В итоге остановились на классическом решении. А причина того, что пробовали
по-другому, была до банальности простой. Двигатель - в моторном отсеке под кабиной.
И компоновка такая, что между кабиной и моторным отсеком палец не просунешь,
разместить ничего было нельзя. Турбокомпрессоры стояли сзади, и чтобы воздух
охладить, надо было тянуть трубу вперед, к радиатору, где стоял охладитель, а потом
вернуть ее обратно. Поэтому пытались сзади пристроить элемент системы охлаждения. Очень интересные схемы рисовали, исследовали их работу - учились, приобретали опыт. В итоге все равно пришлось немного приподнять кабину, провести эти трубы. До сих пор эта схема и работает. Сами разработали алюминиевые теплообменники, тогда их в стране не было. То есть у военных-то в закромах было, но гражданским они своих секретов не отдавали».
.
Сегодня (2008 – необходимое примечание) размеры моторов меняются, с каждым годом они становятся все меньше и мощнее – и на легковых машинах, и на грузовиках.
И КАМАЗ успешно работает в этой нише – у ярославских дизелей объем 14 литров, а у челнинских всего 10,85 (или 12, если двигатель длинноходный).
Это выгодно большинству клиентов – чем меньше объем, тем меньше потери на трение и расход топлива.
Понятно, что запросы бывают разные.
Для гоночных машин все наоборот: 17 литров - очень хорошо.
Высокие обороты им не нужны, низкие для песка намного лучше: меньше переключаться, раз, и поехал.
На маленьком моторе только и делал бы, что коробкой щелкал, сплошной визг и шум…
Но для большинства обычных ситуаций – в промышленности, на стройках, в сельском
хозяйстве – лучше подходит то, что серийно выпускает КАМАЗ.
Сегодняшняя камазовская норма – 8- и 6-цилиндровые двигатели «Евро-3».
Внизу на фотографии выпуск первого двигателя «Евро-3»
29 октября 2004 года.
Их разработка и постановка на производство стоили четырех лет напряженного труда. Приближается и следующий уровень, «Евро-4», подготовка к которому идет полным
ходом.
Сошедший с главного конвейера ОАО «КАМАЗ-Дизель» двигатель этого класса, в статусе опытно-промышленного продукта, уже отправился на сертификационные и эксплуатационные испытания.
Очередной крупный этап в развитии камских дизелей - внедрение электронных систем управления, над этим начали работать с 2000 года.
С переходом на двигатели уровня «Евро-3» электроника стала обязательной составной
частью всех КАМАЗов.
.
Еще одна отдельная сфера, в которой достижения и приоритеты конструкторов-мотористов из Набережных Челнов бесспорны – это, разумеется, газовые моторы.
В начале 80-х в СССР приняли программу перехода автотранспорта на газовое топливо. По разведанным запасам природного газа страна занимала первое место в мире.
А сырую нефть надо транспортировать на НПЗ, переработать в топливо, развезти
автоцистернами по бензоколонкам.
Мощностей НПЗ вечно не хватало, топливо было в дефиците.
А тут провели трубу от магистральной «нитки» к заправке, и все!
Метан - по сравнению с нефтепродуктами – стоил копейки, экономический эффект от его использования обещал быть огромным.
Вдоль дорог появились веселенькие зеленые дракончики, изрыгающие пламя – эмблемы автомобильных газонаполнительных компрессорных станций (АГНКС).
Кроме того, в городах уже вставала во весь рост проблема экологии, а газодизельные
двигатели гораздо дружелюбнее к окружающей среде.
Причем в газодизельном процессе, при использовании метана, получается намного меньше твердых частиц - сажи, чем у обычного дизеля.
А сажа – общепризнанный канцероген.
Дело было «за малым» - сделать приспособленную к такому топливу машину.
КАМАЗ производил дизелей больше всех в стране, ему и поручили заниматься
газодизельным процессом.
Двигателистам из УГК пришлось изрядно потрудиться над этой темой.
На КАМАЗе создали целый корпус по производству газодизельных автомобилей, и даже выпустили их довольно много.
Потом проявились неизбежные технические проблемы.
Газовые баллоны имеют немалый вес: десяток баллонов по 100 кг – тонна полезной
грузоподъемности автомобиля долой.
При этом бортовой запас газа на самом деле невелик, на 200 км пробега не хватит.
И о безопасности забывать нельзя - при утечке газа в закрытом помещении он может накопиться под потолком до взрывоопасной концентрации.
И эксплуатацию газовых машин в стране тогда организовать не сумели.
Нередко они «по разнарядке» оказывались в районах, где никаких АГНКС не было.
В автохозяйствах демонтировали дорогостоящее, но никчемное газовое оборудование. Авторитета новому виду транспорта это не прибавляло.
А тут еще случилась перестройка…
В общем, тема умерла, не успев как следует развиться…
Вернулись к ней в начале XXI века.
Причины, по которым газовые двигатели стали опять интересны, те же – экологично и дешево.
Экологически безопасное горючее необходимо крупным городам.
Автобусы, коммунальные машины, самосвалы и спецтехника за город не выезжают, на рабочую смену им хватает одной заправки.
Заказчиков на такие автомобили становится все больше.
И стоит сжатый газ по-прежнему стоит втрое дешевле дизельного топлива.
А прибыли приносит продавцу больше, чем при экспорте.
Инициатором реанимации темы стал гигантский заказчик – «Газпром», заинтересованный в расширении потребления газа.
Ему принадлежат 190 из 200 действующих сегодня российских АГНКС.
Но развитие сбытовой сети станет реальным только при условии расширения клиентской базы - роста парка автомобилей «на газовом ходу».
Есть у «Газпрома» и свои внутренние потребности.
Автомобилям газовиков часто приходится работать в местах, куда дизельное топливо
завозить дорого, а газа собственного - в избытке.
И стационарные энергетические установки у них могут прекрасно работать от таких же газовых двигателей...
Наработки двадцатилетней давности возвращаются к жизни, как трамплин для нового роста.
Газовый мотор КАМАЗ, способный работать на бедных смесях – маленькое техническое чудо: распределенный выпуск, электронно-управляемый наддув, цифровое управление, показатели в основном соответствуют Евро-5.
Специально спроектированный 24-вольтовый цифровой процессор позволяет
использовать различные виды топлива природный газ и разные виды биогаза, пропан-бутан, водород.
Испытали даже фантастический вариант - дизель, укомплектованный электролизером,
выделяющим водород из воды на борту.
Эти российские моторы не имеют аналогов в мире - по изяществу конструктивных
решений, надежности и экономичности...
Так что камазовским моторам – быть!
.
Продолжение следует…
