Проектування та випробування V-подібних двигунів, АвтоКлуб ЗіЛ 130
Перший V-подібний двигун ЗІС-ЕПЗ (рис. 2), збудований на заводі ім. І. А. Ліхачова, призначався для вдосконаленої модифікації легкового семимісцевого автомобіля ЗІС-110, для якого був потрібний двигун великої потужності з відносно малими габаритними розмірами. Так як при проектуванні двигуна ЗІЛ-130 був широко використаний досвід створення двигуна ЗІС-ЕПЗ, наведено нижче його основні дані і результати випробувань.
Основні дані двигуна ЗІС-ЕПЗ Тип Двигуна - V-подібний, восьмициліндровий, чотиритактний, з рідинним охолодженням Робочий об'єм в л. - 6 (5,969) Діаметр циліндра в мм - 100 Хід поршня в мм - 95 Ставлення ходу поршня до діаметра циліндра - 0,95 Ступінь стиснення - 7,3 Максимальна потужність у л. с. і відповідна їй частота обертання об/хв. - 180/4000 Максимальний крутний момент у кгс-м і відповідна йому частота обертання в об/хв - 44/1800 Мінімальна витрата палива в г/(л. с. ч) - 220 Литрова потужність у л. с./л - 30 Максимальний середній ефективний тиск у кгс/см2 - 9,25 Середня швидкість поршня в м/с - 12,7 Маса двигуна в кг - менше 400 Порядок роботи двигуна - 1-5-4-2-6-3-7-8
У двигуні ЗІС-ЕПЗ була застосована напівсферична повністю оброблена камера згоряння з клапанами, осі яких розташовані в площині перпендикулярної до осі колінчастого валу. В цьому випадку вдається розташувати в голівці дуже короткі з великим прохідним перерізом впускні канали та застосувати клапани великого діаметра. В результаті цього забезпечується хороше наповнення циліндрів при великій частоті обертання та задовільне очищення камери згоряння від залишкових газів. Крім того, значна частина свіжогозаряду потрапляє на випускний клапан, що призводить до деякого його охолодження та кращої підготовки суміші до згоряння. Центральне розташування свічки запалювання в камері згоряння зменшує довжину шляху фронту полум'я, покращуючи цим антидетонаційні властивості двигуна. Застосування дворядного V-подібного розташування циліндрів дозволило скоротити порівняно з двигуном ЗІС-110, габаритну довжину на 290 мм та висоту на 30 мм. Ширина двигуна збільшилась на 30 мм. Така зміна габаритних розмірів двигуна призвела до зниження його маси на 18 кг (з 403 до 385 кг).
Двигун ЗІС-ЕПЗ
Мал. 2. Поперечний розріз двигуна ЗІС-ЕПЗ
Збільшена відстань між осями циліндрів (124 мм замість 106 мм у двигуна ЗІС-110) та прийняте розташування клапанів дозволили збільшити діаметр впускного клапана з 43 до 45,5 мм та випускного з 36,5 до 39 мм (прохідний переріз у клапанах зріс приблизно на 11%). Зменшення ходу поршня (зі 118 до 95 мм) збільшило перекриття шийок колінчастого валу з 5 до 17,5 мм і зменшило середню швидкість поршня з 14,2 до 12,7 м/с, незважаючи на підвищення номінальної частоти обертання колінчастого валу. Перший екземпляр двигуна ЗІС-ЕПЗ був укомплектований двокамерним карбюратором МКЗ-ЛЗ, з яким він розвинув максимальну потужність 160 л. с. при п = 3500 об/хв і максимальний момент, що крутить, 41 кгс-м. при п = 2000 об/хв. Літрова потужність не перевищувала 27 л. з, що з ступеня стиснення 7,3 явно недостатньо. Характер протікання кривої потужності в діапазоні частоти обертання 3300-4000 об / хв давав підставу вважати, що в цьому діапазоні різко зменшується наповнення двигуна. Подальші дослідження показали, що головною причиною недостатнього наповнення в зоні номінальної частоти обертання є опіркарбюратора. Після заміни карбюратора МКЗ-ЛЗ на карбюратор Л КЗ К-21, що має великі розміри дифузорів, збільшився крутний момент у всьому діапазоні частоти обертання швидкісної характеристики на 3-3,5 кгс-м при максимальному його значенні 43,5 кгс-м. Максимальна потужність складала 176 л. с. при п = 4000 об/хв. Збільшення діаметра змішувальних камер карбюратора, а також вхідних отворів у впускній трубі не вплинуло на параметри потужності двигуна. Зміна фаз газорозподілу призвела до зниження показників двигуна, що підтвердило правильність вибору оптимальних фаз. У процесі подальших досліджень на двигун було встановлено два карбюратори К-21 з дифузорами діаметром 32,5 мм і одночасно газовий підігрів впускної труби був замінений водяним від системи охолодження. Ці заходи підвищили максимальну потужність на 10 л. с. при постійному максимальному моменті, що крутить.
Випробування двигуна
Двигун піддавався також випробуванням на надійність, в результаті яких було встановлено наступне: тепловий зазор між поршнем і циліндром і овальність спідниці поршня недостатні для нормальної роботи двигуна на напружених режимах. Збільшення овальності спідниці шляхом зменшення її діаметра в перерізі під кутом 45 ° до осі пальця на 0,12 - 0,3 мм усунув задир поршня; - тріщини в днищах поршнів були наслідком недостатньої жорсткості самого днища і малої міцності алюмінієвого сплаву АЛ10В. - руйнування вкладишів корінних підшипників, виготовлених зі сталебабітової стрічки, було втомним; — канали підведення олії до напрямних втулок клапанів не забезпечували потрібної кількості мастила.
Мал. 3. Розташування газових каналів у головці двигуна ЗІС-ЕПЗА
У зв'язку зі складаннямтехнічного завдання на проектування нового міського автобуса великої місткості (75 пасажирів) на базі двигуна ЗІС-ЕПЗ з максимальним використанням його деталей спроектували восьмициліндровий двигун ЗІС-Е113А з робочим об'ємом 7 л. Підвищення робочого об'єму було досягнуто за рахунок збільшення діаметра циліндра та ходу поршня (відповідно до 105 та 100 мм). Було очевидно, що модифікація ЗІС-ЕПЗА, спроектована на базі двигуна для легкового автомобіля, не матиме необхідної довговічності під час встановлення на міський автобус. Однак будівництво та випробування такого двигуна дозволили отримати його швидкісну характеристику та використовувати її при розробці основних параметрів міського автобуса великої місткості. Проведена конструктивна розробка та випробування двигуна ЗІС-Е113 з напівсферичною камерою згоряння та з клапанами, розташованими в площині, перпендикулярній до осі колінчастого валу, показали, що цей двигун має певні недоліки, а саме: — велика ширина головок циліндрів і, отже, велика їхня маса; - подвоєне число осей коромисел; - великі стійки коромисел, необхідні для встановлення двох осей у кожній головці; - недостатнє обдування свічки запалення і труднощі її обслуговування через розташування в глибокому колодязі; - збільшення октанового числа палива внаслідок малої турбулізації заряду в камері згоряння. Вказані недоліки, якоюсь мірою допустимі при малому випуску двигунів та встановленні їх на легкових автомобілях, при збільшенні випуску та обладнанні цими двигунами автобусів стають не тільки небажаними, а й неприпустимими. Тому для нового двигуна була обрана шатрова, повністю оброблена камера згоряння з клапанами, розташованими в одній площині,паралельної осі колінчастого валу (рис. 3). Це дозволило зменшити ширину і масу головки циліндрів, у результаті габаритна ширина двигуна скоротилася на 59 мм (з 762 до 703 мм), яке маса — па 20 кг (з 385 до 365 кг). Маса двигуна, що дорівнює 365 кг, не є мінімально можливою, оскільки при створенні двигуна ЗІС-ЕПЗА максимально використовувалися деталі двигуна ЗІС-ЕПЗ. Це у багатьох випадках унеможливлювало найбільш раціонального зменшення розмірів і маси деталей нового двигуна. Шатрова камера згоряння при діаметрі циліндра 105 мм і ступеня стиснення 6,8, має кільцевий витіснювач, що забезпечує більш інтенсивне, ніж у напівсферичній камері згоряння, завихрення робочої суміші, що дає можливість дещо знизити потрібне октанове число палива.
Основні дані двигуна ЗІС-ЕПЗА
Тип двигуна - V-подібний, восьмициліндровий Робочий об'єм в л - 7 (6,927) Діаметр циліндра в мм - 105 Хід поршня в мм - 100 Ставлення ходу поршня до діаметра циліндра - 0,952 Ступінь стиснення - 6,8 Максимальна потужність в л. с. і відповідна їй частота обертання об/хв — 180/3200 Максимальний крутний момент в кгс-м і відповідна йому частота обертання об/хв — 47,5/1600 Мінімальна витрата палива в г/(л. ч) - 240 Литрова потужність в л. с/л - 25,7 Середній ефективний тиск в кгс/см2 - 8,6 Середня швидкість поршня в м/с - 10,7 Порядок роботи двигуна - 1-5-4-2- 6-3-7-8
На рис. 4 дано поперечний розріз двигуна ЗІС-ЕПЗА, а на рис. 5 його швидкісна характеристика. Цей двигун із карбюратором МКЗ-ЛЗ мав максимальну потужність 150 л. с. при п - = 3100 об / хв і максимальний момент, що крутить 44,5 кгс-м, при п = 1700 об / хв, тобто параметри двигуна виявилися нижче проектних.
Мал. 4. Поперечний розріз двигуна ЗІС-ЕПЗА
Як і у випадку з двигуном ЗІС-Е113, проектні параметри двигуна ЗІС-Е113А були отримані при встановленні впускної труби з водяним підігрівом та двох карбюраторів ЛКЗК-21 з дифузорами діаметром 29,5 мм. Двигун розвинув потужність 176 л. с. при п = 3300 об/хв і момент, що крутить, 47,5 кгс-м при п - = 1600 об/хв. У табл. 2 наведено основні дані двигунів ЗІС-ЕПЗА та американських двигунів Ле Руа та Ріо, сконструйованих спеціально для вантажних автомобілів (у більшості випадків американські фірми, що виробляють вантажні автомобілі, застосовували на них дефорсовані модифікації V-подібних двигунів легкових автомобілів). При випробуваннях двигуна ЗІС-Е113А були відзначені тріщини на днищах поршнів, фарбування біметалічних вкладишів підшипників колінчастого валу, знос шийок колінчастого валу, піттинг на опорній поверхні штовхачів і відсутність обертання штовхачів під час роботи двигунів. Внаслідок підвищеної витрати масла через отвори в коромислах клапанів камеру згоряння надходила значна кількість масла, що призводило до утворення товстого шару нагару на елементах деталей, що знаходяться в камері згоряння. Зменшити витрати масла через отвори в коромислах за допомогою жиклерів не вдалося.
Мал. 5. Швидкісна характеристика двигуна ЗІС-Е113А з різними карбюраторами (індекс «О» означає, що параметри наведені до нормальних умов): —————— карбюратор МКЗ-ЛЗ; — — — — — — — — — — два карбюратори К-21 з дифузорами діаметром 29,5 мм