Глава 1. РОЗВИТОК КОНСТРУКЦІЇ ДВИГАТЕЛЕЙ ЗІЛ
Роботи, що передували ПРОЕКТУВАННЯ НОВИХ ДВИГУНІВ ДЛЯ ВАНТАЖНИХ АВТОМОБІЛІВ
МОЖЛИВІСТЬ форсування ДВИГАТЕЛЯ ЗІС-120 І ПЕРЕВАГИ V-подібний двигун
Введення в виробництво нової моделі двигуна вимагає великих капіталовкладень як в сфері виготовлення, так і в сфері його експлуатації та ремонту. Тому рішення про перехід на випуск нової моделі може бути прийнято тільки після повного використання ресурсів знаходиться на виробництві моделі двигуна. Такою моделлю на автомобільному заводі ім. І. А. Лихачова був шестициліндровий ніжнеклапанний двигун ЗІС-120 з однорядним розташуванням циліндрів. На початку виробництва цей двигун, що призначався для установки на автомобіль ЗІС-150 вантажопідйомністю 4 т, мав основні параметри, наведені в табл. 1.
У конструкцію двигуна ЗИС-120 були внесені удосконалення, що дозволили випускати його модифікації, які мають більш високі параметри, наприклад двигун ЗІЛ-158В. Порівняння даних табл. 1 показує, що потужність двигуна зросла на 22,5%, а крутний момент на 13%. Це було досягнуто в основному шляхом підвищення ступеня стиснення, збільшення номінальної частоти обертання колінчастого вала і застосування більш досконалого карбюратора, що дозволив поліпшити наповнення циліндрів двигуна.
Спеціальні роботи, проведені для визначення можливості форсування двигуна ЗИС-120, показали наступне:
1. Підвищення ступеня стиснення призводить до деякого збільшення потужності й крутного моменту, але при цьому істотно зростає потрібне октанове число палива.
2. Поліпшення наповнення циліндрів за рахунок розширення прохідних перетинів впускного тракту неможливо, так як не можна
збільшити розміри клапанів через тісного їх розташування в камері згоряння. Відстань між головками клапанів і стінками камери згоряння невелика і складає за номінальними розмірами 3,85 мм як у впускного, так і у випускного клапанів. Подальше збільшення діаметра головок клапанів ще більше зменшує прохідний перетин навколо них.
3. Збільшення робочого об'єму двигуна можливо тільки шляхом відповідної зміни діаметра циліндра, так як зміни ходу поршня перешкоджає малий зазор між кулачками розподільного вала і нижніми головками шатунів. Однак практично збільшити діаметр циліндра не представлялося можливим, так як при підвищенні робочого об'єму циліндрів важко забезпечити їх задовільний наповнення. Крім того, при цьому зменшується ширина проходу для води між циліндрами, яка і при існуючому діаметрі циліндрів дорівнює всього лише 4 мм.
Для короткочасних експериментів був все-таки побудований двигун зі збільшеним до 108 мм діаметром циліндрів за рахунок установки «мокрих» гільз. Робочий об'єм двигуна зріс на 13% і став рівним 6,27 л. При ступені стиснення 6 і відповідно розширеному впускному тракті цей двигун розвинув потужність 115 л. с. (Збільшення на 19%) і крутний момент 35,5 кгс-м (збільшення на 15%).
4. Застосування верхніх клапанів рівноцінно створення нового двигуна, для якого потрібне виготовлення спеціального устаткування для виробництва нових деталей (в тому числі таких складних, як головка і блок циліндрів). Проте, і цей шлях також був перевірений.
1. Основні дані шестициліндрових двигунів
1 Тут і далі потужність для вітчизняних двигунів вказана по ГОСТу 491-55, а для американських - по SAE.
При випробуванні верхнеклапанниє двигуни, що мали ступінь стиснення 6,5, розвинули максимальну потужність до 130 л. с. при п = 2800 об / хв і максимальний крутний момент до 39 кгс.-м. Випробування також показали, що ці двигуни мають підвищений знос основних деталей: циліндрів, шийок колінчастого вала, поршнів, що направляють втулок клапанів і ін. Резерву ж для подальшої форсування ці двигуни так же, як і ніжнеклапанний, не мають.
Таким чином, проведені дослідження показали, що шестициліндровий рядний двигун як ніжнеклапанний, так і верхньоклапанний не відповідають вимогам, що пред'являються до двигунів сучасних вантажних автомобілів, і очевидно, що нераціонально використовувати таку схему розташування циліндрів для сімейства нових двигунів ЗІЛ. Тому для нових двигунів було прийнято V-подібне розташування циліндрів з кутом розвалу між рядами 90 °. У порівнянні з рядним ніжнеклапанним двигуном V-подібний верхньоклапанний має ряд переваг:
1. Менші довжина і висота двигуна, що спрощує його установку на сучасному вантажному автомобілі.
2. Менші габаритні розміри двигуна, а отже, і менша маса.
3. Велика крутильна жорсткість колінчастого вала (внаслідок зменшення його довжини), практично виключає необхідність установки гасителя крутильних коливань.
4. Менша довжина впускних каналів і ідентичність їх форми забезпечують високий коефіцієнт наповнення і велику рівномірність розподілу робочої суміші по циліндрах.
5. Можливість збільшення діаметрів клапанів. Це пов'язано з тим, що у V-образного двигуна відстань між його циліндрами виявляється більше, ніж в однорядном двигуні (при однаковому робочому обсязі одного циліндра), і тому можна збільшити довжину камери згоряння і відповідно розміри клапанів.
Для прикладу можна порівняти V-подібний двигун ЗІЛ-375 з однорядним двигуном ЗІЛ-164А, робочі обсяги одного циліндра яких відрізняються лише на 6%, і кожен з цих двигунів при прийнятому відстані між осями циліндрів виконаний з найбільшим можливим для нього діаметром циліндра ( рис. 1).
У однорядном двигуні відстань між осями циліндрів визначається розмірами клапанів (які повинні бути достатніми для задовільного наповнення циліндрів при частоті обертання колінчастого вала, що відповідає максимальній потужності), відстанями між клапанами, між клапанами і стінками камери згоряння, а також шириною перемички між сусідніми камерами згоряння. У V-образному двигуні крім зазначених вище факторів додається ще одні: необ-ність розташування на одній шатунной шийці двох шатунів. У зв'язку з цим відстань між осями циліндрів в V-образному двигуні визначається сумою поздовжніх розмірів шийок і щік одного кривошипа колінчастого вала і в двигуні ЗІЛ-375 воно дорівнює 135 мм, що на 17,5 мм перевищує яку в однорядном двигуні ЗІЛ-164А .
Відповідно в двигуні ЗІЛ-375 діаметр циліндра на 6,4 мм більше, а камера згоряння на 12,5 мм довший, ніж у двигуні ЗІЛ-164А, що дозволяє збільшити розміри клапанів, поліпшити наповнення циліндрів і підвищити потужність двигуна.
6. Збільшення діаметра циліндрів і відповідне зменшення ходу поршня дозволяють знизити його середню швидкість, в зв'язку з чим зменшуються втрати на тертя, а також знос деталей циліндро-поршневої групи. Все це підвищує довговічність двигуна.
7. Можливість збільшення площі витискує в камері згоряння сприяє турбулізації заряду, внаслідок чого
підвищується ефективність згоряння і потужність двигуна і можна використовувати паливо з мень-; їм октановим числом.
8. Зменшення радіусу кривошипа призводить до збільшення перекриття корінний і шатунной шийок колінчастого вала (22,75 мм у двигуна ЗІЛ-375 і 6,85 мм у двигуна ЗІЛ-164А), в результаті чого підвищується жорсткість колінчастого вала V-образного двигуна.
9. Відносно мала довжина і більша жорсткість колінчастого вала при V-подібною схемою дозволяють форсувати двигун за ступенем стиснення.
10. Можливість збільшення прохідних перетинів впускного і випускного трактів допускає подальшу форсировку двигуна також і по частоті обертання.
Мал. 1. Розміри, що визначають відстань між циліндрами в одно- і двухрядном двигунах: а - ЗІЛ-375; б - ЗІЛ-164А