Возможность форсировки двигателя ЗИС-120 и преимущества V-образных двигателей

Введение в производство новой модели двигателя требует крупных капиталовложений как в сфере изготовления, так и в сфере его эксплуатации и ремонта. Поэтому решение о переходе на выпуск новой модели может быть принято только после пол­ного использования ресурсов находящейся на производстве модели двигателя. Такой моделью на автомобильном заводе им. И. А. Ли­хачева был шестицилиндровый нижнеклапанный двигатель ЗИС-120 с однорядным расположением цилиндров. В начале про­изводства этот двигатель, предназначавшийся для установки па автомобиль ЗИС-150 грузоподъемностью 4 т, имел основные пара­метры, приведенные в табл. 1.

В конструкцию двигателя ЗИС-120 были внесены усовершен­ствования, позволившие выпускать его модификации, имеющие более высокие параметры, например двигатель ЗИЛ-158В. Сравне­ние данных табл. 1 показывает, что мощность двигателя возросла на 22,5%, а крутящий момент на 13%. Это было достигнуто в ос­новном путем повышения степени сжатия, увеличения номиналь­ной частоты вращения коленчатого вала и применения более со­вершенного карбюратора, позволившего улучшить наполнение цилиндров двигателя.

Специальные работы, проведенные для определения возмож­ности форсировки двигателя ЗИС-120, показали следующее:

1. Повышение степени сжатия приводит к некоторому увели­чению мощности и крутящего момента, но при этом существенно возрастает потребное октановое число топлива.
2. Улучшение наполнения цилиндров за счет расширения про­ходных сечений впускного тракта невозможно, так как нельзя увеличить размеры клапанов из-за тесного их расположения в камере сгорания. Расстояние между головками клапанов и стен­ками камеры сгорания невелико и составляет по номинальным размерам 3,85 мм как у впускного, так и у выпускного клапанов. Дальнейшее увеличение диаметра головок клапанов еще больше уменьшает проходное сечение вокруг них.
3. Увеличение рабочего объема двигателя возможно только путем соответствующего изменения диаметра цилиндра, так как изменению хода поршня препятствует малый зазор между кулач­ками распределительного вала и нижними головками шатунов. Однако практически увеличить диаметр цилиндра не представля­лось возможным, так как при повышении рабочего объема цилин­дров трудно обеспечить их удовлетворительное наполнение. Кроме того, при этом уменьшается ширина прохода для воды между цилиндрами, которая и при существующем диаметре ци­линдров равна всего лишь 4 мм.

Для кратковременных экспериментов был все-таки построен двигатель с увеличенным до 108 мм диаметром цилиндров за счет установки «мокрых» гильз. Рабочий объем двигателя возрос на 13% и стал равным 6,27 л. При степени сжа­тия 6 и соответственно расширенном впускном тракте этот двигатель развил мощность 115 л. с. (увеличение на 19%) н крутящий момент 35,5 кгс-м (уве­личение на 15%).

1. Применение верхних клапанов равноценно созданию нового двигателя, для которого требуется изготовление специального оборудования для производства новых деталей (в том числе таких сложных, как головка и блок цилиндров). Тем не менее, и этот путь также был проверен.

При испытании верхнеклапанные двигатели, имевшие степень сжатия 6,5, развили максимальную мощность до 130 л. с. при n = 2800 об/мин и максимальный крутящий момент до 39 кгс-м. Испытания также показали, что эти двигатели имеют повышенный износ основных деталей: цилиндров, шеек коленчатого вала, поршней, направляющих втулок клапанов и др. Резерва же для дальнейшей форсировки эти двигатели так же, как и нижнеклапан­ные, не имеют.

Таким образом, проведенные исследования показали, что шести­цилиндровый рядный двигатель как нижнеклапанный, так и верх­неклапанный не соответствуют требованиям, предъявляемым к двигателям современных грузовых автомобилей, и очевидно, что нерационально использовать такую схему расположения цилин­дров для семейства новых двигателей ЗИЛ. Поэтому для новых двигателей было принято V-образное расположение цилиндров с углом развала между рядами 90°. По сравнению с рядным нижне­клапанным двигателем V-образный верхнеклапанный имеет ряд преимуществ:

1. Меньшие длина и высота двигателя, что упрощает его уста­новку на современном грузовом автомобиле.
2. Меньшие габаритные размеры двигателя, а следовательно, и меньшая масса.
3. Большая крутильная жесткость коленчатого вала (вслед­ствие уменьшения его длины), практически исключающая необ­ходимость установки гасителя крутильных колебаний.
4. Меньшая длина впускных каналов и идентичность их формы обеспечивают высокий коэффициент наполнения и большую равно­мерность распределения рабочей смеси по цилиндрам.
5. Возможность увеличения диаметров клапанов. Это связано с тем, что у V-образного двигателя расстояние между его цилин­драми оказывается больше, чем в однорядном двигателе (при оди­наковом рабочем объеме одного цилиндра), и поэтому можно увеличить длину камеры сгорания и соответственно размеры кла­панов.

Для примера можно сравнить V-образный двигатель ЗИЛ-375 с однорядным двигателем ЗИЛ-164А, рабочие объемы одного цилиндра которых отличаются всего лишь на 6%, и каждый из этих двигателей при принятом расстоянии между осями цилиндров выполнен с наибольшим возможным для него диаметром ци­линдра (рис. 1).

В однорядном двигателе расстояние между осями цилиндров определяется размерами клапанов (которые должны быть доста­точными для удовлетворительного наполнения цилиндров при частоте вращения коленчатого вала, соответствующей максималь­ной мощности), расстояниями между клапанами, между клапа­нами и стенками камеры сгорания, а также шириной перемычки между соседними камерами сгорания. В V-образном двигателе кроме указанных выше факторов добавляется еще один: необхо­димость расположения на одной шатунной шейке двух шатунов. В связи с этим расстояние между осями цилиндров в V-образном двигателе определяется суммой продольных размеров шеек и щек одного кривошипа коленчатого вала и в двигателе ЗИЛ-375 оно равно 135 мм, что на 17,5 мм превышает это расстояние в одно­рядном двигателе ЗИЛ-164А.

Соответственно в двигателе ЗИЛ-375 диаметр цилиндра на 6,4 мм больше, а камера сгорания на 12,5 мм длиннее, чем в дви­гателе ЗИЛ-164А, что позволяет увеличить размеры клапанов, улучшить наполнение цилиндров и повысить мощность двигателя.

1. Увеличение диаметра цилиндров и соответственное умень­шение хода поршня позволяют снизить его среднюю скорость, в связи с чем уменьшаются потери па трение, а также износ дета­лей цилиндро-поршневой группы. Все это повышает долговеч­ность двигателя.
2. Возможность увеличения площади вытеснители в камере сгорания способствует турбулизации заряда, вследствие чего повышается эффективность сгорания и мощность двигателя и можно использовать топливо с меньшим октановым числом.
3. Уменьшение радиуса кривошипа приводит к увеличению перекрытия коренной и шатунной шеек коленчатого вала (22,75 мм у двигателя ЗИЛ-375 и 6,85 мм у двигателя ЗИЛ-164А), в резуль­тате чего повышается жесткость коленчатого вала V-образного двигателя.
4. Относительно малая длина и большая жесткость коленча­того вала при V-образной схеме позволяют форсировать двигатель по степени сжатия.
5. Возможность увеличения проходных сечений впускного и выпускного трактов допускает дальнейшую форсировку двигателя также и по частоте вращения.