Проектирование и испытание V-образных двигателей

Первый V-образный двигатель ЗИС-ЭПЗ (рис. 2), построен­ный на заводе им. И. А. Лихачева, предназначался для усовершен­ствованной модификации легкового семиместного автомобиля ЗИС-110, для которого требовался двигатель большой мощности с относительно малыми габаритными размерами. Так как при проектировании двигателя ЗИЛ-130 был широко использован опыт создания двигателя ЗИС-ЭПЗ, ниже приведены его основ­ные данные и результаты испытаний.

Основные данные двигателя ЗИС-ЭПЗ
Тип Двигателя — V-образный, восьмицилиндровый, четырехтактный, с жидкостным охлаждением
Рабочий объем в л. — 6 (5,969)
Диаметр цилиндра в мм — 100
Ход поршня в мм — 95
Отношение хода поршня к диаметру ци­линдра — 0,95
Степень сжатия — 7,3
Максимальная мощность в л. с. и соот­ветствующая ей частота вращения в об/мин. — 180/4000
Максимальный крутящий момент в кгс-м и соответствующая ему частота вра­щения в об/мин — 44/1800
Минимальный расход топлива в г/(л. с. ч) — 220
Литровая мощность в л. с./л — 30
Максимальное среднее эффективное да­вление в кгс/см2 — 9,25
Средняя скорость поршня в м/с — 12,7
Масса двигателя в кг — менее 400
Порядок работы двигателя — 1—5—4—2—6—3—7—8

В двигателе ЗИС-ЭПЗ была применена полусферическая пол­ностью обработанная камера сгорания с клапанами, оси которых расположены в плоскости, перпендикулярной к оси коленчатого вала. В этом случае удается расположить в головке очень короткие с большим проходным сечением впускные каналы и применить клапаны большого диаметра. В результате этого обеспечивается хорошее наполнение цилиндров при большой частоте вращения и удовлетворительная очистка камеры сгорания от остаточных газов. Кроме того, значительная часть свежего заряда попадает на выпускной клапан, что приводит к некоторому его охлаждению и к лучшей подготовке смеси к сгоранию. Центральное расположе­ние свечи зажигания в камере сгорания уменьшает длину пути фронта пламени, улучшая тем самым антидетонационные свойства двигателя.
Применение двухрядного V-образного расположения цилин­дров позволило сократить по сравнению с двигателем ЗИС-110, габаритную длину на 290 мм и высоту на 30 мм. Ширина дви­гателя увеличилась на 30 мм. Такое изменение габаритных раз­меров двигателя привело к снижению его массы на 18 кг (с 403 до 385 кг).

Двигатель ЗИС-ЭПЗ

Рис. 2. Поперечный разрез двигателя ЗИС-ЭПЗ

Рис. 2. Поперечный разрез двигателя ЗИС-ЭПЗ

Увеличенное расстояние между осями цилиндров (124 мм вместо 106 мм у двигателя ЗИС-110) и принятое расположение клапанов позволили увеличить диаметр впускного клапана с 43 до 45,5 мм и выпускного с 36,5 до 39 мм (проходное сечение в кла­панах возросло примерно на 11%). Уменьшение хода поршня (со 118 до 95 мм) увеличило перекрытие шеек коленчатого вала с 5 до 17,5 мм и уменьшило среднюю скорость поршня с 14,2 до 12,7 м/с, несмотря на повышение номинальной частоты вращения коленчатого вала.
Первый экземпляр двигателя ЗИС-ЭПЗ был укомплектован двухкамерным карбюратором МКЗ-ЛЗ, с которым он развил мак­симальную мощность 160 л. с. при п = 3500 об/мин и максималь­ный крутящий момент 41 кгс-м. при п = 2000 об/мин. Литровая мощность не превышала 27 л. с, что при степени сжатия 7,3 явно недостаточно.
Характер протекания кривой мощности в диапазоне частоты вращения 3300—4000 об/мин давал основание полагать, что в этом диапазоне резко уменьшается наполнение двигателя. Дальнейшие исследования показали, что главной причиной недо­статочного наполнения в зоне номинальной частоты вращения является сопротивление карбюратора. После замены карбюра­тора МКЗ-ЛЗ карбюратором Л КЗ К-21, имеющего большие раз­меры диффузоров, увеличился крутящий момент во всем диапазоне частоты вращения скоростной характеристики на 3—3,5 кгс-м при максимальном его значении 43,5 кгс-м. Максимальная мощ­ность составляла 176 л. с. при п = 4000 об/мин.
Увеличение диаметра смесительных камер карбюратора, а также входных отверстий во впускной трубе не повлияло на мощностные параметры двигателя.
Изменение фаз газораспределения привело к снижению пока­зателей двигателя, что подтвердило правильность выбора опти­мальных фаз.
В процессе дальнейших исследований на двигатель было уста­новлено два карбюратора К-21 с диффузорами диаметром 32,5 мм и одновременно газовый подогрев впускной трубы был заменен водяным от системы охлаждения. Эти мероприятия повысили максимальную мощность еще на 10 л. с. при неизменном макси­мальном крутящем моменте.

Испытания двигателя 

Двигатель подвергался также испытаниям на надежность, в ре­зультате которых было установлено следующее:
— тепловой зазор между поршнем и цилиндром и овальность юбки поршня недостаточны для нормальной работы двигателя на напряженных режимах. Увеличение овальности юбки путем уменьшения ее диаметра в сечении под углом 45° к оси пальца на 0,12 — 0,3 мм устранило задиры поршня;
— трещины в днищах поршней являлись следствием недоста­точной жесткости самого днища и малой прочности алюминиевого сплава АЛ10В.
— разрушение вкладышей коренных подшипников, изгото­вленных из сталебаббитовой ленты, было усталостным;
— каналы подвода масла к направляющим втулкам клапанов не обеспечивали нужного количества смазки.

Рис. 3. Расположение газовых каналов в головке двигателя ЗИС-ЭПЗА

Рис. 3. Расположение газовых каналов в головке двигателя ЗИС-ЭПЗА

В связи с составлением технического задания на проектирова­ние нового городского автобуса большой вместимости (75 пасса­жиров) на базе двигателя ЗИС-ЭПЗ с максимальным использова­нием его деталей был спроектирован восьмицилиндровый двига­тель ЗИС-Э113А с рабочим объемом 7 л. Повышение рабочего объема было достигнуто за счет увеличения диаметра цилиндра и хода поршня (соответственно до 105 и 100 мм). Было очевидно, что модификация ЗИС-ЭПЗА, спроектированная на базе двига­теля для легкового автомобиля, не будет иметь требуемой долго­вечности при установке на городской автобус. Однако постройка и испытание такого двигателя позволили получить его скоростную характеристику и использовать ее при разработке основных пара­метров городского автобуса большой вместимости.
Проведенная конструктивная разработка и испытания двига­теля ЗИС-Э113 с полусферической камерой сгорания и с клапанами, расположенными в плоскости, перпендикулярной к оси коленча­того вала, показали, что этот двигатель имеет определенные недо­статки, а именно:
— большая ширина головок цилиндров и, следовательно, большая их масса;
— удвоенное число осей коромысел;
— большие стойки коромысел, необходимые для установки двух осей в каждой головке;
— недостаточный обдув свечи зажигания и трудность ее обслу­живания из-за расположения в глубоком колодце;
— увеличение октанового числа топлива вследствие малой турбулизации заряда в камере сгорания.
Указанные недостатки, в какой-то мере допустимые при малом выпуске двигателей и установке их на легковых автомобилях, при увеличении выпуска и оборудовании этими двигателями автобусов становятся не только нежелательными, но и недопустимыми. Поэтому для нового двигателя была выбрана шатровая, полностью обработанная камера сгорания с клапанами, расположенными в одной плоскости, параллельной оси коленчатого вала (рис. 3). Это позволило уменьшить ширину и массу головки цилиндров, в результате чего габаритная ширина двигателя сократилась на 59 мм (с 762 до 703 мм), а его масса — па 20 кг (с 385 до 365 кг).
Масса двигателя, равная 365 кг, не является минимально воз­можной, поскольку при создании двигателя ЗИС-ЭПЗА макси­мально использовались детали двигателя ЗИС-ЭПЗ. Это во мно­гих случаях исключало возможность наиболее рационального уменьшения размеров и массы деталей нового двигателя.
Шатровая камера сгорания при диаметре цилиндра 105 мм и степени сжатия 6,8, имеет кольцевой вытеснитель, обеспечиваю­щий более интенсивное, чем в полусферической камере сгорания, завихрение рабочей смеси, что дает возможность несколько снизить потребное октановое число топлива.

Основные данные двигателя ЗИС-ЭПЗА

Тип двигателя — V-образный, восьмицилиндровый
Рабочий объем в л — 7 (6,927)
Диаметр цилиндра в мм — 105
Ход поршня в мм — 100
Отношение хода поршня к диаметру ци­линдра — 0,952
Степень сжатия — 6,8
Максимальная мощность в л. с. и соот­ветствующая ей частота вращения в об/мин — 180/3200
Максимальный крутящий момент в кгс-м и соответствующая ему частота вра­щения в об/мин — 47,5/1600
Минимальный расход топлива в г/(л. с. ч) — 240
Литровая мощность в л. с/л — 25,7
Среднее эффективное давление в кгс/см2 — 8,6
Средняя скорость поршня в м/с — 10,7
Порядок работы двигателя — 1—5—4—2—6—3—7—8

На рис. 4 дан поперечный разрез двигателя ЗИС-ЭПЗА, а на рис. 5 его скоростная характеристика. Этот двигатель с карбю­ратором МКЗ-ЛЗ имел максимальную мощность 150 л. с. при п — = 3100 об/мин и максимальный крутящий момент 44,5 кгс-м, при п = 1700 об/мин, т. е. параметры двигателя оказались ниже проектных.

Рис. 4. Поперечный разрез двигателя ЗИС-ЭПЗА

Рис. 4. Поперечный разрез двигателя ЗИС-ЭПЗА

Как и в случае с двигателем ЗИС-Э113, проектные параметры двигателя ЗИС-Э113А были получены при установке впускной трубы с водяным подогревом и двух карбюраторов ЛКЗК-21 с диф­фузорами диаметром 29,5 мм. Двигатель развил мощность 176 л. с. при п = 3300 об/мин и крутящий момент 47,5 кгс-м при п — = 1600 об/мин.
В табл. 2 приведены основные данные двигателей ЗИС-ЭПЗА и американских двигателей Ле Руа и Рио, сконструированных специально для грузовых автомобилей (в большинстве случаев американские фирмы, производящие грузовые автомобили, при­меняли на них дефорсированные модификации V-образных дви­гателей легковых автомобилей).
При испытаниях двигателя ЗИС-Э113А были отмечены тре­щины на днищах поршней, выкрашивание биметаллических вкла­дышей подшипников коленчатого вала, износ шеек коленчатого вала, питтинг на опорной поверхности толкателей и отсутствие вращения толкателей во время работы двигателей. Вследствие повышенного расхода масла через отверстия в коромыслах кла­панов в камеру сгорания поступало значительное количество масла, что приводило к образованию толстого слоя нагара на элементах деталей, находящихся в камере сгорания. Уменьшить расход масла через отверстия в коромыслах при помощи жиклеров не удалось.

Рис. 5. Скоростная характе­ристика двигателя ЗИС-Э113А с различными карбюратора­ми (индекс «О» означает, что параметры приведены к нор­мальным условиям): ----------------- карбюратор МКЗ-ЛЗ; - - - - - - - - - -  два карбюратора К-21 с диффузорами диаметром 29,5 мм

Рис. 5. Скоростная характе­ристика двигателя ЗИС-Э113А с различными карбюратора­ми (индекс «О» означает, что параметры приведены к нор­мальным условиям):
—————— карбюратор МКЗ-ЛЗ;
— — — — — — — — — — два карбюратора К-21 с диффузорами диаметром 29,5 мм

tabl2

Актуально:

Запись опубликована в рубрике Ремонт двигателя, Техническое обслуживание. Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *