Можливість форсування двигуна ЗІС-120 та переваги V-подібних двигунів, АвтоКлуб ЗіЛ 131

Введення у виробництво нової моделі двигуна потребує великих капіталовкладень як у сфері виготовлення, так і у сфері його експлуатації та ремонту. Тому рішення про перехід на випуск нової моделі може бути прийняте тільки після повного використання ресурсів моделі двигуна, що знаходиться на виробництві. Такою моделлю на автомобільному заводі ім. І. А. Лихачова був шестициліндровий нижньоклапанний двигун ЗІС-120 з однорядним розташуванням циліндрів. На початку виробництва цей двигун, який призначався для встановлення па автомобіль ЗІС-150 вантажопідйомністю 4 т, мав основні параметри, наведені в табл. 1.

У конструкцію двигуна ЗІС-120 були внесені вдосконалення, що дозволили випускати його модифікації, що мають вищі параметри, наприклад двигун ЗІЛ-158В. Порівняння даних табл. 1 показує, що потужність двигуна зросла на 22,5%, а момент, що крутить, на 13%. Це було досягнуто в основному шляхом підвищення ступеня стиснення, збільшення номінальної частоти обертання колінчастого валу та застосування досконалішого карбюратора, що дозволило поліпшити наповнення циліндрів двигуна.

Спеціальні роботи, проведені для визначення можливості форсування двигуна ЗІС-120, показали:

Підвищення ступеня стиснення призводить до деякого збільшення потужності і моменту, що крутить, але при цьому істотно зростає потрібне октанове число палива.
Поліпшення наповнення циліндрів за рахунок розширення прохідних перерізів впускного тракту неможливе, оскільки не можна збільшити розміри клапанів через тісне розташування в камері згоряння. Відстань між головками клапанів та стінками камери згоряння невелика таскладає за номінальними розмірами 3,85 мм як у впускного, так і випускного клапанів. Подальше збільшення діаметра головок клапанів ще більше зменшує прохідний переріз навколо них.
Збільшення робочого об'єму двигуна можливе лише шляхом відповідної зміни діаметра циліндра, оскільки зміні ходу поршня перешкоджає малий зазор між кулачками розподільчого валу та нижніми головками шатунів. Однак практично збільшити діаметр циліндра не уявлялося можливим, тому що при підвищенні робочого об'єму циліндрів важко забезпечити їхнє задовільне наповнення. Крім того, при цьому зменшується ширина проходу для води між циліндрами, яка і при існуючому діаметрі циліндрів дорівнює лише 4 мм.

Для короткочасних експериментів був таки побудований двигун із збільшеним до 108 мм діаметром циліндрів за рахунок установки «мокрих» гільз. Робочий об'єм двигуна зріс на 13% і дорівнював 6,27 л. При ступені стиснення 6 і відповідно розширеному впускному тракті цей двигун розвинув потужність 115 л. с. (Збільшення на 19%) н крутний момент 35,5 кгс-м (збільшення на 15%).

Застосування верхніх клапанів рівноцінне створенню нового двигуна, для якого потрібне виготовлення спеціального обладнання для виробництва нових деталей (у тому числі таких складних, як головка та блок циліндрів). Тим не менш, цей шлях також був перевірений.

При випробуванні верхньоклапанні двигуни, що мали ступінь стиснення 6,5, розвинули максимальну потужність до 130 л. с. при n = 2800 об/хв і максимальний момент, що крутить, до 39 кгс-м. Випробування також показали, що ці двигуни мають підвищений знос основних деталей: циліндрів, шийок колінчастого валу, поршнів, направляючих втулок клапанів та ін.подальшого форсування ці двигуни так само, як і нижньоклапанні, не мають. Таким чином, проведені дослідження показали, що шестициліндровий рядний двигун як нижньоклапанний, так і верхньоклапанний не відповідають вимогам, що висуваються 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 із кутом розвалу між рядами 90°. Порівняно з рядним нижньоклапанним двигуном V-подібний верхньоклапанний має ряд переваг:

Найменша довжина та висота двигуна, що спрощує його встановлення на сучасному вантажному автомобілі.
Найменші габаритні розміри двигуна, а отже, і менша маса.
Велика крутильна жорсткість колінчастого валу (внаслідок зменшення його довжини), що практично виключає необхідність установки гасника крутильних коливань.
Найменша довжина впускних каналів та ідентичність їх форми забезпечують високий коефіцієнт наповнення та більшу рівномірність розподілу робочої суміші по циліндрах.
Можливість збільшення діаметрів клапанів. Це з тим, що з V-образного двигуна відстань між його циліндрами виявляється більше, ніж у однорядному двигуні (при однаковому робочому обсязі одного циліндра), і тому можна збільшити довжину камери згоряння і розміри клапанів.

Для прикладу можна порівняти V-подібний двигун ЗІЛ-375 з однорядним двигуном ЗІЛ-164А, робочі об'єми одного циліндра яких відрізняються лише на 6%, і кожен з цих двигунів при прийнятій відстані між осями циліндрів виконаний з найбільшим можливим для нього діаметром циліндра ( 1).

В однорядному двигуні відстань між осями циліндрів визначається розмірами клапанів (які повинні бути достатніми для задовільного наповнення циліндрів при частоті обертання колінчастого валу, відповідної максимальної потужності), відстанями між клапанами, між клапанами і стінками камери згоряння, а також шириною перемички між сусідніми. У V-подібному двигуні, крім зазначених вище факторів, додається ще один: необхідність розташування на одній шатунній шийці двох шатунів. У зв'язку з цим відстань між осями циліндрів у V-подібному двигуні визначається сумою поздовжніх розмірів шийок і щік одного кривошипа колінчастого валу і в двигуні ЗІЛ-375 вона дорівнює 135 мм, що на 17,5 мм перевищує цю відстань в однорядному двигуні ЗІЛ-1 .

Відповідно у двигуні ЗІЛ-375 діаметр циліндра на 6,4 мм більше, а камера згоряння на 12,5 мм довша, ніж у двигуні ЗІЛ-164А, що дозволяє збільшити розміри клапанів, покращити наповнення циліндрів та підвищити потужність двигуна.

Збільшення діаметра циліндрів і відповідне зменшення ходу поршня дозволяють знизити його середню швидкість, у зв'язку з чим зменшуються втрати па тертя, а також знос деталей циліндро-поршневої групи. Все це підвищує довговічність двигуна.
Можливість збільшення площі витіснювачів у камері згоряння сприяє турбулізації заряду, внаслідок чого підвищується ефективність згоряння та потужність двигуна і можна використовувати паливо з меншим октановим числом.
Зменшення радіуса кривошипа призводить до збільшення перекриття корінної та шатунної шийок колінчастого валу (22,75 мм у двигуна ЗІЛ-375 та 6,85 мм у двигуна ЗІЛ-164А), внаслідок чого підвищується жорсткість колінчастого валуV-подібний двигун.
Відносно мала довжина та велика жорсткість колінчастого валу при V-подібній схемі дозволяють форсувати двигун за ступенем стиснення.
Можливість збільшення прохідних перерізів впускного та випускного трактів допускає подальше форсування двигуна також за частотою обертання.