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
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
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
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
