Двигатель EMD 645: История, конструкция и применение.

Введение

EMD 645 – это семейство дизельных двигателей, разработанных и производившихся подразделением Electro-Motive компании General Motors. Хотя серия 645 предназначалась главным образом для локомотивов, морских и стационарных установок, одна 16-цилиндровая версия использовалась в 33-тонном прототипе самосвала "Титан", разработанном подразделением Terex компании GM.

Серия 645 была эволюцией более ранней серии 567 и предшественницей более поздней серии 710. Впервые представленная в 1965 году, серия EMD 645 оставалась в производстве по индивидуальным заказам даже после замены ее серией 710, и большинство запасных частей для 645 до сих пор производятся. В настоящее время серия двигателей EMD 645 поддерживается компанией Electro Motive Diesel, Inc., которая приобрела активы подразделения Electro-Motive у General Motors в 2005 году. В 1951 году Э. В. Кеттеринг опубликовал статью для ASME под названием «История и развитие локомотивного двигателя General Motors серии 567», в которой подробно описаны технические трудности, возникшие при разработке двигателя 567. Те же соображения применимы и к двигателям 645 и 710, поскольку они являлись логическим развитием 567C, путем увеличения диаметра цилиндра (645) и увеличения диаметра цилиндра и хода (710) для достижения большей мощности без изменения внешних габаритов или веса двигателей, что позволило значительно повысить мощность на единицу объема и на единицу веса. В связи с ужесточением норм по выбросам эти двигатели постепенно заменяются четырехтактными аналогами.

История

В 1965 году началось производство двигателей серии 645. Поскольку серия 567 достигла предела увеличения мощности, потребовалось увеличить рабочий объем; это было достигнуто за счет увеличения диаметра цилиндра с в серии 567 до в серии 645, при сохранении неизменными хода поршня и высоты деки цилиндров. Хотя картер был модифицирован по сравнению с серией 567, двигатели 567C и более поздние (или двигатели 567, модернизированные до спецификаций 567C, иногда называемые 567AC или 567BC) могут использовать запасные части серии 645, такие как силовые узлы. В то же время, двигатель 567E использует блок серии 645E с силовыми узлами серии 567. Все двигатели 645 используют либо механический нагнетатель Roots, либо турбонаддув для продувки цилиндров. В турбированных двигателях турбокомпрессор приводится в движение шестернями и оснащен центробежным сцеплением, которое позволяет ему работать как центробежный нагнетатель на низких оборотах двигателя (когда потока выхлопных газов и их температуры недостаточно для привода турбины) и как полноценный турбокомпрессор, приводимый выхлопными газами, на более высоких оборотах. Турбокомпрессор может переключаться в режим нагнетателя при необходимости значительного увеличения выходной мощности двигателя. Хотя обслуживание турбокомпрессоров обходится дороже, чем обслуживание механических нагнетателей Roots, EMD утверждает, что эта конструкция обеспечивает "значительное" снижение расхода топлива и выбросов, улучшенную работу на больших высотах и даже увеличение максимальной номинальной мощности на 50% по сравнению с двигателями с механическим нагнетателем Roots при том же рабочем объеме. Мощность двигателей с атмосферным наддувом (включая двухтактные двигатели с механическим нагнетателем Roots) обычно снижается на 2,5% на каждые 305 метров подъема над уровнем моря, что является существенной потерей на высоте 3048 метров и выше, где работают несколько железных дорог на западе США и в Канаде, и может достигать 25% потери мощности. Турбонаддув эффективно устраняет это снижение мощности. Максимальная скорость вращения коленчатого вала двигателей серии 645 составляет от 900 до 950 об/мин, что выше, чем максимальная скорость от 800 до 900 об/мин для двигателей серии 567. Скорость вращения 900 об/мин была необходима для стационарных генераторов мощностью 60 Гц и некоторых пассажирских локомотивов, оснащенных трехфазными системами "головного конца" мощностью 60 Гц и 480 В. При использовании исключительно для тяги скорость вращения двигателя изменяется в зависимости от положения рукоятки дросселя. Максимальная скорость 950 об/мин двигателя 645F оказалась слишком высокой, что снизило его надежность, и заменяющий двигатель 710G вернулся к максимальной скорости 900 об/мин. EMD построил демонстрационный локомотив SD40 (номер 434) в июле 1964 года для проведения полевых испытаний двигателя 16 645E3, за которым последовали еще восемь демонстрационных локомотивов SD40 (номера 434A–434H) и демонстрационный локомотив GP40 (номер 433A) в 1965 году. В декабре 1965 и январе 1966 года EMD построила три демонстрационных локомотива SD45 (номера 4351–4353) для проведения полевых испытаний двигателя 20 645E3. С началом производства двигателей 645 в 1965 году была представлена большая серия новых моделей локомотивов. Турбированные версии использовались в локомотивах серии 40 (GP40, SD40 и SD45) EMD в 16-цилиндровой и 20-цилиндровой конфигурациях. EMD также представила локомотивы серии 38 с механическим нагнетателем Roots (GP38, SD38) и турбированные 12-цилиндровые локомотивы серии 39 (GP39, SD39). Все эти модели локомотивов широко используют общие компоненты и подсистемы, что значительно снижает затраты и повышает взаимозаменяемость. GP38-2 и SD40-2 стали самыми популярными моделями серии и одними из самых популярных моделей локомотивов, когда-либо построенных. С момента появления двигателей серии 645, система обозначений моделей EMD обычно увеличивала номер модели на десять (например, серии 40, 50, 60 и 70). Для 12-цилиндровых версий номер уменьшался на единицу (например, серии 39, 49 и 59); для версий с механическим нагнетателем Roots – на два (серия 38); а для версий с более высокой мощностью – увеличивался на пять (например, серии 45 и 75).

The 645 series engines entered production in 1965. As the 567 series had reached its limits in horsepower increases, a larger displacement was needed; this was accomplished by increasing the bore from on the 567 series to on the 645 series, while maintaining the same stroke and deck height. While the crankcase was modified from the 567 series, 567C and later engines (or 567 engines which have been modified to 567C specifications, sometimes referred to as 567AC or 567BC engines) can accept 645 series service parts, such as power assemblies. Conversely, the 567E engine employs a 645E series block with 567 series power assemblies. All 645 engines utilize either a Roots blower or a turbocharger for cylinder scavenging. For turbocharged engines, the turbocharger is gear driven and has a centrifugal clutch that allows it to act as a centrifugal blower at low engine speeds (when exhaust gas flow and temperature alone are insufficient to drive the turbine) and a purely exhaust driven turbocharger at higher speeds. The turbocharger can revert to acting as a supercharger during demands for large increases in engine output power. While more expensive to maintain than Roots blowers, EMD claims that this design allows "significantly" reduced fuel consumption and emissions, improved high altitude performance, and even up to a 50 percent increase in maximum rated horsepower over Roots blown engines for the same engine displacement. Horsepower for naturally aspirated engines (including Roots blown two stroke engines) is usually derated 2.5 percent per 1,000 feet (305 m) above mean sea level, a tremendous penalty at the 10,000 feet (3048 m) or greater elevations which several Western U. S. and Canada railroads operate, and this can amount to a 25 percent power loss. Turbocharging effectively eliminates this derating. The 645 series has a maximum engine speed of between 900 and 950 revolutions per minute (rpm), an increase over the 800 to 900 rpm maximum speed for the 567 series. An engine speed of 900 rpm was essential for 60 Hz stationary power generator applications and certain passenger locomotives equipped with 60 Hz, 480 volt three phase "head end power" systems. When used solely for traction purposes, the engine speed varies depending on the throttle position. The 950 rpm maximum speed of the 645F engine proved to be too high, thereby compromising its reliability, and the replacement engine, the 710G, reverted to 900 rpm maximum speed. EMD built an SD40 demonstrator (number 434) in July 1964 to field test the 16 645E3 engine, followed by another eight SD40 demonstrators (numbers 434A through 434H) and a GP40 demonstrator (number 433A) in 1965. In December 1965 and January 1966, EMD built three SD45 demonstrators (numbers 4351 through 4353) to field test the 20 645E3 engine. When the 645 engine entered production in 1965, a large series of new locomotive models was introduced. The turbocharged version was used in EMD's 40 Series (GP40, SD40 and SD45) in , sixteen cylinder form and in , twenty cylinder form. EMD also introduced the Roots blown 38 Series (GP38, SD38) and turbocharged, twelve cylinder 39 Series (GP39, SD39). All of these locomotive models extensively share common components and subsystems, thereby significantly reducing cost and increasing interchangeability. The GP38 2 and SD40 2 became the most popular models of the series and among the most popular locomotive models ever built. Starting with the introduction of the 645 series engines, EMD's model naming convention generally increased model designs by ten (such as with the 40, 50, 60 and 70 series). The number was reduced by one for twelve cylinder versions (such as the 39, 49 and 59 series); reduced by two for Roots blown versions (for the 38 series); and increased by five for higher horsepower versions (such as the 45 and 75 series).

Версии

Кол-во цилиндровНаддувНоминальные оборотыМощность (л.с.)Мощность (МВт)Год выпускаПрименение8 645C8Нагнетатель (1)90011000.81965G18AR, Новая Зеландия класс DBR6 645E6Нагнетатель (1)9007500.61967Железные дороги Виктории класс Y (G6B)8 645E8Нагнетатель (1)90010000.751966SW1000, SW1001, V/Line класс P, Железные дороги Виктории класс T (3-я серия) / H класс, CIE 201 класс (переоборудование), Renfe класс 31012 645E12Нагнетатель (2)90015001.11966MP15DC, MP15AC, G22, SW1500, SW1504, GP15 1, GP15AC, CIE 001 класс (переоборудование), Commonwealth Railways класс NJ, MV Liberty Star, SJ класс T4416 645E16Нагнетатель (2)90020001.51966GP38, GP38 2, SD38, SDP38, SD38 2, NSWGR 422 класс, Железные дороги Виктории класс X (2-я и 3-я серии), G26, Renfe класс 3198 645E38Турбонаддув90016501.2MP15T, FGC 254 серия12 645C12Нагнетатель (2)90016501.2G22AR, Новая Зеландия класс DC12 645E312Турбонаддув90023001.71968GP39, GP39 2, SD39, SDL39, CIE 071, GT22, British Rail класс 57/0 & 5760116 645E316Турбонаддув90030002.21965GP40, GP40 2, GP40P, GP40P 2, GP40TC, SD40, SD40A, SD40 2, SD40T 2, SDP40, SDP40F, F40PH, Commonwealth Railways класс CL (оригинальный), Australian National класс AL (оригинальный), WAGR класс L, VR класс C, GT26CW, DSB класс MZ (серии I–II)20 645E320Турбонаддув90036002.71965SD45, SD45 2, SDP45, F45, FP45, DDM45, DSB класс MZ (серии III–IV)12 645E3C12Турбонаддув90025101.8V/Line класс N (1-я серия), Новая Зеландия класс DFT, Железные дороги Квинсленда класс 230016 645E3C16Турбонаддув950 3300 2.5 British Rail класс 59, V/Line класс G (оригинальный), Pacific National класс XRB, Freight Australia класс XR, VL класс (Австралия), Commonwealth Railways класс CL (переоборудованные версии), Australian National класс ALF, TCDD DE33000, F40PH 2, SD40E, Henschel DE330016 645E416Турбонаддув90033002.461973Terex 33 19 "Titan" карьерный самосвал16 645F16Турбонаддув95035002.61977GP40X, GP50, SD40X, SD5012 645F3B12Турбонаддув950 2800 2.1 GP49, British Rail класс 57/3 & 57602 5760516 645F3B16Турбонаддув950 3600 2.7 EMD FT36HCW 2 Korail 7000 серия; MPI MPXpress MP36PH 3S и 3C, RL класс, V/Line класс G (переоборудованный)

IDCylindersInductionRated RPMPower (hp)Power (MW)IntroducedApplications8 645C8Blower (1)90011000.81965G18AR, New Zealand DBR class6 645E6Blower (1)9007500.61967Victorian Railways Y class (G6B)8 645E8Blower (1)90010000.751966SW1000, SW1001, V/Line P class, Victorian Railways T class (3rd series) / H class, CIE 201 Class (rebuilt), Renfe Class 31012 645E12Blower (2)90015001.11966MP15DC, MP15AC, G22, SW1500, SW1504, GP15 1, GP15AC, CIE 001 Class (rebuilt), Commonwealth Railways NJ class, MV Liberty Star, SJ Class T4416 645E16Blower (2)90020001.51966GP38, GP38 2, SD38, SDP38, SD38 2, NSWGR 422 Class, Victorian Railways X class (2nd & 3rd series), G26, Renfe Class 3198 645E38Turbocharger90016501.2MP15T, FGC 254 Series12 645C12Blower (2)90016501.2G22AR, New Zealand DC class12 645E312Turbocharger90023001.71968GP39, GP39 2, SD39, SDL39, CIE 071, GT22, British Rail Class 57/0 & 5760116 645E316Turbocharger90030002.21965GP40, GP40 2, GP40P, GP40P 2, GP40TC, SD40, SD40A, SD40 2, SD40T 2, SDP40, SDP40F, F40PH, Commonwealth Railways CL class (Original), Australian National AL class (Original), WAGR L class, VR C Class, GT26CW, DSB Class MZ (series I–II)20 645E320Turbocharger90036002.71965SD45, SD45 2, SDP45, F45, FP45, DDM45, DSB Class MZ (series III–IV)12 645E3C12Turbocharger90025101.8 V/Line N class (1st series), New Zealand DFT class, Queensland Railways 2300 class 16 645E3C16Turbocharger950 3300 2.5 British Rail Class 59, V/Line G class (original), Pacific National XRB class, Freight Australia XR class, VL class (Australia), Commonwealth Railways CL class (rebuilt versions), Australian National ALF class, TCDD DE33000, F40PH 2, SD40E, Henschel DE330016 645E416Turbocharger90033002.461973Terex 33 19 "Titan" haul truck16 645F16Turbocharger95035002.61977GP40X, GP50, SD40X, SD5012 645F3B12Turbocharger950 2800 2.1 GP49, British Rail Class 57/3 & 57602 5760516 645F3B16Turbocharger950 3600 2.7 EMD FT36HCW 2 Korail 7000 Series; MPI MPXpress MP36PH 3S and 3C, RL class, V/Line G class (rebuilt)