Как усилить двигатель зил 130
ПОВЫШЕНИЕ СТЕПЕНИ СЖАТИЯ ДВИГАТЕЛЯ ЗИЛ-130
Повышение степени сжатия является самым простым способом увеличения мощности и экономических показателей поршневых двигателей. С повышением степени сжатия увеличивается также и степень расширения, в результате чего возрастает работа цикла, улучшается использование введенного тепла, а следовательно, увеличиваются мощность и к. п. д. двигателя.
В отличие от теоретического цикла в реальном двигателе с ростом степени сжатия значительно возрастают тепловые потери. Так, с увеличением отношения поверхности камеры сгорания к ее объему повышается количество тепла, передаваемого в систему охлаждения и, кроме того, трение смеси о поверхности стенок камеры, что уменьшает начальную турбулизацию заряда и сказывается на скорости сгорания смеси.
Скорость сгорания зависит от температуры и давления смеси и от крупномасштабной турбулентности заряда. С повышением
степени сжатия увеличиваются температура и давление смеси, вследствие чего скорость сгорания возрастает; однако уменьшение крупномасштабной турбулентности при повышении степени сжатия снижает скорость сгорания. При каком-то значении степени сжатия уменьшение турбулентности заряда оказывает решающее влияние. В случае повышения степени сжатия возрастают утечки рабочего тела через поршневые кольца при сжатии и расширении. Вследствие этого уменьшается индикаторный к. п. д. двигателя и при каком-то значении степени сжатия он также может оказать
решающее влияние на протекание рабочего процесса. Кроме того, с увеличением степени сжатия возрастают также механические потери в двигателе, что вызывает уменьшение механического к. п. д.
Влияние каждого из приведенных выше факторов зависит от конструкции двигателя. По этой причине и величина оптимальной с точки зрения наилучших мощностных показателей степени сжатия зависит от конструктивных особенностей конкретного двигателя.
Влияние степени сжатия на мощ-ностные и экономические показатели двигателя ЗИЛ-130 показано на рис. 143. При степени сжатия свыше 9 наблюдается уменьшение темпа прироста среднего эффективного давления, а также темпа снижения удельных расходов топлива.
Форма камеры сгорания незначительно влияет на мощностные показатели двигателя ЗИЛ-130. Уменьшение поверхности собственно камеры сгорания при увеличении степени сжатия приводит к некоторому понижению эффективной мощности главным образом за счет ухудшения наполнения вследствие дросселирования потока смеси боковой стенкой камеры сгорания.
При увеличении степени сжатия от 6,5 до 8,5 заметно улучшаются экономические показатели двигателя ЗИЛ-130. Дальнейшее повышение ее лишь незначительно улучшает экономичность двигателя.
Как усилить двигатель зил 130
Глава IX. ПЕРСПЕКТИВЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТНЫX ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДВИГАТЕЛЯ ЗИЛ-130
Для повышения мощности двигателей с принудительным зажиганием могут быть использованы следующие способы:
— увеличение наполнения путем применения многокарбюраторных систем или впрыска топлива во впускную трубу при
одновременном повышении максимальной частоты вращения коленчатого вала;
— повышение степени сжатия и одновременное увеличение наполнения при большой частоте вращения;
(с помощью приводного компрессора или турбокомпрессора, приводимого в движение отработавшими газами).
Каждый из этих способов имеет свои преимущества и недостатки, ограничивающие их применение из-за технических или технологических факторов.
Увеличение наполнения с одновременным повышением максимальной частоты вращения — естественный путь форсировки поршневых двигателей, поскольку между коэффициентом наполнения двигателя, средним эффективным давлением и частотой вращения существует линейная зависимость.
В настоящее время имеются образцы высокофорсированных двигателей гоночного типа без наддува, литровая мощность которых превышает 200 л.с./л, а частота вращения более 10 000 об/мин.
На рис. 139 показана возможность форсировки двигателей с принудительным зажиганием за счет увеличения быстроходности, наполнения и степени сжатия.
Однако для двигателей грузовых автомобилей проблема резкого повышения быстроходности в настоящее время еще полностью не решена из-за недостаточной надежности таких двигателей при большой частоте вращения, главным образом их газораспределительного и кривошипно-шатунного механизмов. Вследствие этого на грузовых автомобилях применяются двигатели средней быстроходности. Чтобы повысить их мощность, обычно увеличивают степень сжатия и одновременно усовершенствуют впускной тракт и систему питания. Наиболее эффективный способ повышения мощности этих двигателей — применение наддува.
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
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
