Форсировка двигателей ВАЗ 2101-06 и М-412

Как бы не развивались события, связанные с Автозаз-DAEWOO, как бы ни шло навстречу рядовому гражданину родное правительство, облегчая ввоз из-за рубежа подержанных иномарок, а ближайшие пять лет большинство автомобильного парка страны будут составлять все-таки ВАЗы и "Москвичи".

Купленные своими хозяевами во времена "великого и могучего" они, отслужив не один десяток лет, и по сей день остаются основным средством передвижения на дачу и к огородам. Они дают возможность “подграчнуть” на кусок нелегкого хлеба в городе и приехать на рынок из деревни.

Но сегодня, особенно в городском транспортном потоке, они уже не удовлетворяют современным требованиям ни по разгонной динамике, ни по эластичности двигателя. Автомобили, выпускавшиеся в ныне несуществующей стране, сходили с конвейера не одно десятилетие практически без изменений. Автозаводы занимались не производством автомобилей, а выполнением плана по их выпуску. Конструкторам было недосуг исправлять мелочные огрехи и "детские" ошибки в конструкции, в результате чего автомобили, зачастую еще до своего рождения, потеряли возможность конкурировать со своими европейскими и заокеанскими собратьями.

Первыми, кто осознал это и стал искать пути улучшения конструкции двигателя, были спортсмены. Некоторые из методов, найденных ими и опробованных во множестве соревнований, хотелось бы осветить в этой статье, целью которой автор ставит дать практические рекомендации по усовершенствованию двигателей автомобилей семейства М-412 для повышения их мощности и разгонной динамики.

Но прежде, необходимо вкратце рассмотреть теоретические аспекты работы двигателя внутреннего сгорания, что впоследствии поможет лучше понять логику вмешательства в работу двигателя.

В общем случае эффективная мощность четырехтактного двигателя определяется по формуле:

N_e = 0,000475 h_mh_g h_fh_v V_hH_g n (л.с.)

где:
h_m -механический КПД (определяет потери на трение и насосные потери);
h_g -относительный КПД (определяет потери тепла в системе охлаждения);
h_t - термический КПД (определяет потери вследствие неполноты расширения продуктов сгорания в идеальном цикле при нетеплопроводном цилиндре);
h_v - коэффициент наполнения - отношение действительной массы свежего заряда к теоретической массе заряда при давлении и температуре атмосферы (определяет совершенство наполнения цилиндра рабочей смесью);
V_h -рабочий объем двигателя, л;
H_g -теплотворная способность 1 м³ рабочей смеси при нормальном давлении и температуре и при коэффициенте избытка воздуха ? = 1 для всех видов жидкого топлива почти одинакова, среднее значение H_g = 825
кал/м³;
n -число оборотов коленчатого вала в минуту.

Рабочий объем двигателя определяется по формуле:

V_h = 0,785 D²Si (см³)

где:
D -диаметр цилиндра, см;
S -ход поршня, см;
i -число цилиндров.

Повышение мощности двигателя путем повышения рабочего объема является наиболее простым и результативным способом создания форсированых модификаций. Этот способ наиболее часто используется при выпуске переходных моделей серийных двигателей - одним из примеров такого подхода есть создание двигателя ВАЗ 2106 на базе двигателя 2103.

Поскольку увеличение количества цилиндров является невыполнимой, в отличных от заводских условиях, задачей, единственным выходом является увеличение диаметра цилиндра и хода поршня. Поскольку увеличение хода поршня требует замены коленчатого вала, наиболее простым с технической точки зрения, является увеличение диаметра цилиндра, которое проще всего произвести применив поршневую группу ремонтного размера. Дальнейшее увеличение рабочего объема двигателя можно осуществить применяя поршневую группу от другой модели. При этом потребуется расточка посадочных мест под гильзы, обработка уплотнительных поверхностей прокладки головки блока, обеспечить необходимую степень сжатия.

Изменение хода поршня, требующее более точных и дорогих технологических операций, как то: изготовление нового коленчатого вала, более коротких шатунов (если не имеется возможности подобрать поршни с другим расположением поршневого пальца), в этой статье рассматриваться не будет.

Одним из наиболее простых, с технологической точки зрения, способом повышения мощности двигателя является повышение степени сжатия. В настоящее время у современных двигателей этот показатель находится на уровне значений, характерных для спортивных модификаций.

От величины степени сжатия зависит термический КПД двигателя, который с увеличением степени сжатия e до значений e = 12~13 растет достаточно быстро, а после превышения значения 13 - медленнее. Увеличение степени сжатия ограничивается проявлением детонации вследствие роста температуры рабочей смеси в конце такта сжатия.

Как-то мне пришлось столкнуться с возмущенным клиентом, который на следующий день, после того, как получил долгожданный автомобиль с форсированным двигателем, приехал жаловаться на невозможность заглушить горячий двигатель, который продолжал работать даже при выключенном зажигании.

После непродолжительного разговора выяснилось, что в бак был залит 76-й бензин.

Увеличить коэффициент наполнения можно благодаря применению нескольких карбюраторов, лучше всего, по одному на каждый цилиндр (для повышения коэффициента наполнения в инжектором двигателе применяются иные, отличные от данного методы, но о них мы поговорим позже). Многие высокофорсированные двигатели оснащались прямоточными карбюраторами. Но поскольку такое изменение в системе питания двигателя ведет к повышенному расходу топлива, в условиях реальной каждодневной эксплуатации этот метод повышения мощности двигателя является неприемлемым.

Другим способом повышения коэффициента наполнения является применение головки блока с 4 клапанами на цилиндр, а также снижение потерь скорости движения горючей смеси в приборах питания, впускных трубах и клапанной щели, а также от степени очистки цилиндров от отработанных газов. Поскольку величины этих потерь пропорциональны квадрату скорости движения смеси, то у впускного тракта форсированного двигателя увеличивают проходные сечения. Производится также установка клапанов большего диаметра, увеличивают подъем клапанов и расширение фаз газораспределения, для чего необходим новый распределительный вал (для двигателя М-412 такой вал выпускается со средины 70-х годов).

Впускные трубопроводы должны иметь плавные изгибы, увеличенные проходные сечения, высокую чистоту внутренней поверхности. Совершенно недопустимы несовпадения каналов в местах соединения труб, поскольку турбулентность способствует снижению скорости потока. Улучшение очистки цилиндров от отработавших газов достигается такой же доработкой выпускного тракта двигателя.

Форсирование по числу оборотов оказало наибольшее влияние на изменение конструкции механизма газораспределения.

Относительный КПД двигателя зависит от тепловых потерь в процессе горения, которому наиболее соответствует камеры сгорания полусферической, сегментно-сферической и шатровой формы. Снижению тепловых потерь способствует, также, увеличение степени сжатия, так как при этом можно уменьшить поверхность камеры сгорания и увеличить количество оборотов, благодаря чему сократится время соприкосновения газов со стенками камеры сгорания.

Увеличение механического КПД происходит за счет снижения потерь на трение.

Трение поршней, в основном, вызывается боковой нагрузкой на поршень, которая определяется силами инерции поступательно движущихся частей. Снизить массу поршня можно механической обработкой, а поршневого пальца и шатуна - путем изготовления их из более прочных титановых сплавов. В общем балансе механических потерь потери на трение в подшипниках коленчатого вала составляют около 16% при использовании подшипников скольжения.

Эта величина может быть снижена путем применения подшипников качения, но для этого потребуется изменение конструкции коленчатого вала, который выполняется сборным из отдельных деталей, соединенных запрессовкой.

Главным направлением в форсировке двигателя М-412 было увеличение его рабочего объема с использованием поршней большего диаметра при неизменности хода поршня. Выбор пал на поршень диаметром 92 мм. Это было обусловлено несколькими причинами.

Во-первых, увеличивался рабочий объем двигателя на 26%, что при прочих равных условиях давало возможность получить такое же увеличение мощности по сравнению со стандартными двигателями М-412.

Во-вторых, увеличивалась относительная короткоходность двигателя, что повышало срок службы деталей поршневой группы благодаря уменьшению средних скоростей движения поршня при тех же оборотах двигателя, способствовало росту коэффициента наполнения цилиндров ввиду меньших скоростей впуска, пропорциональных скоростям движения поршня. Кроме того, у более короткоходного двигателя меньше тепловые потери.

В-третьих, поршень диаметром 92 мм широко применяется на двигателях семейства ГАЗ. Значит, можно было использовать готовые поршневые кольца, двигатель оказывался годным для ремонта. После определенной переделки были использованы гильзы от двигателя автомобиля ГАЗ-24 или ГАЗ-21.

Много внимания было уделено вопросу повышения степени сжатия. Увеличение степени сжатия сверх пределов, ограниченных октановым числом применяемого бензина, связано с возникновением детонации, в результате чего двигатель перегревается, наполнение ухудшается, мощность снижается, износ основных деталей может возрасти в 2-3 раза. Сильная детонация нередко приводит к прогоранию днища поршня.

Кроме опасных для надежности двигателя детонационных явлений с увеличением степени сжатия резко возрастают нагрузки на поршневую группу и вкладыши, которые в двигателе М-412 не имеют достаточного запаса по работоспособности и прочности (возможно, в связи с малыми размерами).

Есть еще одно немаловажное обстоятельство, ограничивающее выбор степени сжатия по верхнему пределу. Заметный рост мощностных показателей двигателя с повышением степени сжатия наблюдается до значения е=10-11, затем прибавка мощности с увеличением степени сжатия не столь существенна, а надежность и долговечность двигателя резко ухудшаются.

Исходя из всего сказанного наиболее рациональным является форсировка двигателя по степени сжатия до 9,8-10, что подтверждалось опытом участия в соревнованиях ведущих гонщиков СССР.

На собранном и обкатанном двигателе истинная величина степени сжатия проверяется компрессометром на прогретом двигателе с вывернутыми свечами при 200-250 об/мин, т. е. при оборотах, даваемых стартером при полностью заряженном аккумуляторе. Замеренное компрессометром значение давления конца такта сжатия в каждом цилиндре легко пересчитывается в степень сжатия по эмпирической формуле:

e = (Pc + 3,9)/1.55

где:
е - степень сжатия;
Рс - давление, замеренное компрессометром, кгс/с.м2.

Замеренная по давлению Рс степень сжатия должна соответствовать расчетной, и разница в замерах в каждом цилиндре не должна превышать 0,5-1 кгс/см2.

Это залог успешной работы двигателя. В противном случае надо обязательно выяснить причину отклонений и устранить ее, даже если это связано с разборкой двигателя.

Блок цилиндров двигателя М-412 выполнен из алюминиевого сплава АЛ-9. Изготавливается литьем в кокиль. На Уфимском моторостроительном заводе освоена технология литья блока цилиндров под давлением. Такой блок имеет более тонкие стенки и на 4 кг легче.

Несмотря на кажущуюся ажурность, блок цилиндров обладает необходимой прочностью и жесткостью, хорошо отводит тепло. Жесткость обеспечивается тем, что разъем крепления масляного поддона находится ниже оси коленчатого вала, что обеспечивает минимальные деформации в зонах коренных подшипников, гильз цилиндров и плоскостей стыков с головкой блока цилиндров и с поддоном.

Для сборки форсированного двигателя лучше использовать блок цилиндров после пробега автомобилем 5-10 тыс. км. Такой блок уже не подвергается усадочным деформациям. Перед сборкой двигателя блок цилиндров обязательно следует проверить на соосность отверстий под коренные вкладыши. Имели место случаи, когда в результате сильного перегрева в период обкатки наблюдались отклонения в соосности этих отверстий до нескольких десятых долей миллиметра. Такой блок цилиндров, конечно, непригоден для форсированного двигателя.

Проверку блока цилиндров на соосность отверстий под вкладыши желательно производить специально сделанным валом-калибром. Если его нет, проверку все равно надо сделать. Опыт сборки двигателей и подбора деталей к ним позволяет дать следующие рекомендации. В блок цилиндров укладывается коленчатый вал, в пригодности которого нет сомнений, с вкладышами, смазанными небольшим количеством моторного масла. Затяжка крышек коренных подшипников производится последовательно и постепенно от средней к крайним с усилием не более рекомендованного в обычных инструкциях.

Если таким образом уложенный коленчатый вал после среднего усилия рукой за передний конец вращается по инерции два-три оборота, то можно считать блок цилиндров пригодным для сборки. При этой проверке следует снять переднюю и заднюю крышки блока с резиновыми сальниками, если они были поставлены, так как вращение коленчатого вала из-за трения в сальниках существенно затруднится.

Для установки гильз под поршни диаметром 92 мм следует расточить блок цилиндров по двум размерам на каждый цилиндр. Размеры расточки: под посадочное место гильзы 100+0,035 мм, под водяную рубашку 115+0,4 мм. Операцию можно выполнить на расточном станке, имеющемся на каждом авторемонтном предприятии. Межцентровое расстояние у блока М-412 составляет 104 мм.

Во время расточки посадочных мест под гильзы цилиндров важно соблюсти их соосность и перпендикулярность к оси коленчатого вала. Лучше к моменту расточки иметь обработанные гильзы, чтобы можно было произвести их индивидуальную подгонку. Гильза должна свободно, но без люфта садиться юбкой в блок. Посадка под натягом недопустима, ибо при относительно тонких стенках гильзы неизбежно нарушается общая геометрия цилиндра. При посадке же с зазором, пусть даже незначительным, нарушается общая жесткость двигателя и появляется вероятность перекоса гильзы цилиндров в процессе работы двигателя или даже при сборке.

Двигатель М-412 имеет гильзы, непосредственно омываемые охлаждающей жидкостью, так называемые "мокрые гильзы". Такая конструкция, хотя несколько и уменьшает жесткость двигателя, зато создаст значительные преимущества перед двигателями с "сухими гильзами" по отводу тепла, что особо важно для надежной работы форсированного двигателя. Гильзы цилиндров стандартного двигателя М-412 изготавливаются из специального чугуна с высокой твердостью поверхности (НВ 200-240). В зависимости от размеров внутреннего диаметра гильзы делятся на пять групп, и маркируются краской разного цвета.

При сборке двигателя со стандартными гильзами диаметром 82 мм лучше подобрать весь комплект одной размерной группы (при условии наличия поршней соответствующего размера), так как в этом случае для замены вышедшей из строя гильзы достаточно иметь лишь одну запасную.

Если нет полного комплекта гильз одной размерной группы, то можно собирать двигатель с гильзами разных размерных групп, но при обязательном условии соответствия размера каждой гильзы размеру своего поршня, имеющего соответствующий цветовой индекс.

Более сложно собирать форсированный двигатель с гильзами и поршнями диаметром 92 мм. Для этого нужно иметь полный комплект (желательно сверх него иметь еще 2 гильзы в запасе) гильзы цилиндров от двигателей М-21, ГАЗ-53 (или ГАЗ-24). У этих гильз в отличие от гильз стандартного двигателя М-412 имеется вставка из специального жаропрочного чугуна, запрессованная в верхнюю часть гильзы в 50 мм от торца для повышения износостойкости и долговечности. Чтобы установить такую гильзу в уже расточенный блок цилиндров М-412, се необходимо подрезать по размеру. Однако в гильзе остается часть жаропрочной вставки на глубине 16 мм. Вот это и создает определенные трудности.

Дело в том, что при обрезке гильзы на токарном станке обрезным резцом в связи с разной твердостью основного материала гильзы и жаропрочной вставки, даже при самой малой подаче резца оставшаяся часть вставки слегка приподнимается, и на гильзе из-за этого образуются уступы очень малых размеров. Сначала мы на них не обращали внимания. Но после обкатки обнаруживались сколы по торцу верхнего компрессионного кольца (нижнее компрессионное и маслосъемное кольца не доходят до уступа). Нельзя было и обрезать гильзу с торца на все 34 мм, так как при зажатии гильзы в патрон токарного станка происходила ее деформация.

Приемлемой оказалась следующая технология. Обрезным резцом гильза подрезалась на глубину основного материала, примерно на 4 мм с запасом по высоте в 1-2 мм. Затем ножовкой вручную производилась окончательная обрезка. Точный размер по высоте доводился на станке торцевым резцом с самой малой подачей. После обработки место стыка вставки с гильзой на зеркале цилиндра не должно ощущаться на ощупь мякотью пальца. Обрезанные по высоте гильзы еще не готовы для установки в блок цилиндров, так как они мешают друг другу верхним и нижним наружными утолщениями.

Обработать эти утолщения до необходимых размеров можно напильником, очень осторожно зажав гильзу в тиски. Обработанные лыски должны быть одинаковы на верхнем и нижнем утолщениях. На гильзах первого и четвертого цилиндров - по лыске с одной стороны, на втором и третьем - с двух сторон. Теперь гильзы можно примерить в блоке цилиндров и проверить их правильную обработку. Гильзы не должны касаться друг друга во избежание взаимных деформаций при нагреве (зазор 1-2 мм), а разница по высоте верхних торцов соседних гильз не должна превышать 0,03-0,04 мм. Если гильзы правильно становятся в блок, их надо сразу пометить по номерам цилиндров, не забыв на гильзах второго и третьего цилиндров пометить, где передняя часть.

Для прокладки под гильзы лучше всего использовать новые прокладки от двигателей ГАЗ-24: остается только ножницами срезать сегменты по размеру. Если готовых прокладок нет, их можно вырезать из ленты холоднокатаной меди толщиной 0,4 мм. В крайнем случае можно использовать наборы более тонких прокладок. но не более двух штук на каждый цилиндр. На изготовленных самостоятельно прокладках обязательно нужно снять заусенцы.

После приготовления прокладок наступает время генеральной подгонки гильз в блок цилиндров. Гильзы с прокладками устанавливаются в блок в соответствии с нанесенными метками и зажимаются головкой блока (без прокладки головки блока) на все гайки средним усилием, чтобы не деформировать головку блока.

Через 20-30 мин головка блока снимается и проверяется величина выступания гильз над его верхней плоскостью. Она должна быть 0,08-0,12 мм для всех гильз, а высота каждой гильзы над блоком цилиндров должна быть одинакова по всему диаметру гильзы, чтобы исключить перекос гильзы и соблюсти их соосность.

При окончательной сборке двигателя для надежной герметизации системы охлаждения прокладки гильз цилиндров смазываются бакелитовым лаком или грунтом под синтетическую краску. Смазывать обычной нитрокраской не рекомендуется, так как она до окончательной затяжки головки блока успевает высохнуть. В этом случае нитрокраска принесет больше вреда, чем пользы.

Поршневая группа автомобильного двигателя, состоя-щая из поршня, поршневого пальца, колец поршневых и стопорных-для крепления пальца, работает в очень тяжелых условиях: высокие температурные, газовые и инерционные нагрузки, носящие близкий к ударному ха-рактер, большие знакопеременные скорости движения, ограниченная смазка, недостаточность теплоотвода.

Необходимость подробного рассмотрения некоторых конструктивных особенностей деталей поршневой груп-пы связана не только с тем, что они требуют особого внимания при подготовке двигателя к соревнованиям, но и с тем, что многие спортсмены при этом стремятся, порой не всегда оправданно, изменить конструкцию или обработку этих деталей.

Поршень условно можно разделить на три части, выполняющие различные функции: днище, уплотняющая часть, направляющая часть (юбка). Днище и направляющая часть образуют головку поршня (РИСУНОК). Днище поршня, образующее с головкой блока цилиндров камеру сгорания, кончается у верхней кромки проточки под верхнее компрессионное кольцо. Эту часть поршня иногда называют жаровым поясом, так как днище поршня омывается открытым пламенем и горячими газами, раскаленными до температуры 1500-2500° С. Для увеличения прочности и повышения общей жесткости' днище выполняют достаточно массивным и снабжают ребрами, связывающими стенки и днище с бобышками. Толщина днища, как правило, постепенно увеличивается от центра к периферии. При таком сечении улучшается теплоотвод от днища и уменьшается температура его нагрева.

В нижней части поршня двигателя ВАЗ имеются боковые выемки, чтобы противовесы коленчатого вала не касались поршня. Такая конструкция поршня в некоторой степени способствует появлению вертикальных трещин под бобышками особенно после перегрева двигателя, хотя его овальность до 0,2 мм и конусность (в верхней части диаметр юбки меньше, чем в нижней, на 0,045 мм) предназначены для компенсации теплового расширения и заклинивания.

Днище поршня двигателя М-412 имеет выпуклую форму, что придает щелевидность камере сгорания, а это несколько ухудшает процесс горения. Большая поверхность выпуклого днища по сравнению с плоским увеличивает площадь соприкосновения с горячими газами, что повышает общую его температуру. Излишний нагрев днища поршня вообще нежелателен, так как это ухудшает весовое наполнение цилиндра и приводит к некоторому снижению мощности двигателя из-за повышенного подогрева свежего заряда топливной смеси. Однако благодаря выпуклой форме днища поршня уменьшается объем камеры сгорания, к тому же конструкторам удалось добиться уменьшения массы поршня и увеличения прочности днища,

Поршни, движущиеся возвратно-поступательно с большой скоростью (до 20 м/с), подвергаются воздей-ствию сил инерции, пропорциональных массе. Величина сил инерции составляет значительную долю от сил дав-ления газов. Облегчение поршня, как и других деталей, движущихся возвратно-поступательно, уменьшает потери на преодоление сил инерции, особенно при переходе двигателя с одного режима работы на другой.

Можно считать целесообразным и лишенным риска облегчение днища поршня двигателя М-412 за счет его проточки (затемненной части) и приближения его формы к плоской. Это поможет избавиться от недостатков выпуклого днища и сохранить его достоинства.

Естественно, проточка увеличивает объем камеры сгорания, вследствие чего уменьшается степень сжатия и мощность двигателя.

Зато удешевляется эксплуатация, так как вместо бензина АИ-93 на транспортных и обслуживающих автомобилях можно применять бензин А-76. По этой причине проточку поршней можно рекомендовать владельцам автомобилей "Москвич", желающим пойти на незначительный ущерб в динамике автомобиля ради удобства эксплуатации. Что касается спортивных автомобилей, то им такая "декомпрессия" противопоказана.

Для доведения степени сжатия двигателя с проточенными поршнями до 9,5-10 приходится фрезеровать блок цилиндров по верхней плоскости на 1 мм (в сборе с передней крышкой). На 1 мм следует укоротить и гильзы цилиндров, проторцевав верхнюю кромку в токарном станке. Кроме того, на 1,8-2,0 мм фрезеруется плоскость разъема головки блока цилиндров.

Рис. 18 и 19

При такой компоновке двигателя не должна произойти "встреча" поршня и всасывающего клапана, так как между ними остается зазор 0,8-1 мм в момент подхода поршня к ВМТ в конце такта выхлопа. Однако для гарантии в связи с неизбежным "зависанием" клапанов на предельно высоких оборотах необходимо в днище поршня сделать выборку глубиной 1-1,5 мм (рис.
18,19).

рис.20

Такую выборку можно сделать вручную шарошкой, электро- или пневматической дрелью. Тем спортсменам или секциям, которым часто приходится иметь дело со сборкой спортивных двигателей, можно порекомендовать приспособление, предложенное мотористами спортивной лаборатории АЗЛК (рис. 20). Оно представляет собой клапан с напаянными на торцевую часть тремя или четырьмя резцами. Фреза-клапан ставится на место клапана в головку блока, головка блока крепится на блок цилиндров, поршень при этом находится в ВМТ. Затем операция выборки металла с поршня производится простейшим приспособлением типа приспособления для притирки клапанов. И так. в каждом из четырех поршней. Делать выборку под выхлопные клапаны нет необходимости. Для двигателя ВАЗ выборку надо делать под оба клапана (кроме поршней двигателя ВАЗ-2106, имеющих проточку верхней части днища).

Кстати, при сборке двигателя со стандартными (необлегченными) поршнями при "поджатии" головки блока более 0,8-0,9 мм надо обязательно делать в поршнях такие же выборки.

В процессе эксплуатации двигателей ВАЗ-21011, особенно в режимах 7000-7500 об/мин, наблюдались следы касания клапанов на днище поршня даже при стандартных фазах распределительного вала. В этом случае судьям технической комиссии вряд ли следует однозначно утверждать, что наличие выборок на днище поршня обязательно связано с установкой распредели-тельного вала с измененными, фазами газораспределения (при проверке автомобиля на соответствие группе А-1).

Подбор и правильная установка поршневых колец являются одним из основных условий надежной и безаварийной работы двигателя. Следует отметить также, что время приработки поршневых колец к гильзе цилиндров определяет длительность обкатки двигателя.

Из комплекта поршневых колец стандартного дви-гателя М-412 верхнее компрессионное кольцо (хромированное) должно иметь при сборке несколько боль-ший зазор в замке (0,4-0,5 мм). Такая величина за-зора гарантирует отсутствие "прихватов" кольца и ци-линдра при его интенсивном нагреве до 300-350° С. Нижнее 'компрессионное и маслосъемное кольца под-бираются с зазором 0,2-0,4 мм. При установке колец на поршень надо проследить за правильностью распо-ложения выточки колец (вверх) и разведением замков в разные стороны.

Для двигателя ГАЗ-24 промышленность выпускает несколько вариантов поршневых колец.

Верхнее компрессионное кольцо выпускается хромированным или покрытым тонким слоем электроли-тического лужения, прямоугольного сечения или овальной формы, высотой 2,5 мм или 2,0 мм.

Предпочтение отдается кольцу, покрытому пористым хромом. Срок службы хромированного кольца в 3-3,5 раза больше луженого. При этом срок службы колец, расположенных ниже хромированного, также удлинняется.

Поршневые кольца с закругленными наружными кромками улучшают заклинивание масляного слоя под движущимся кольцом и, следовательно, смазку, а острая кромка разрушает масляную пленку. Нельзя забывать также, что на пути верхнего компрессионного кольца лежит стык оставшейся части жароупорной вставки в гильзе цилиндра. В процессе работы двигателя в этом месте может появиться незначительный уступ, поэтому и с этой точки зрения овальная форма кольца предпочтительнее, так как уменьшается вероятность поломки кольца или отдельных сколов.

Для лучшего уплотнения и уменьшения напряжения на торце, а также по ряду других причин верхнее кольцо выбирают меньшей высоты. Такие кольца уменьшают износ канавок вследствие. уменьшения сил инерции, особенно на больших оборотах.

Итак, считаем целесообразным верхнее компрессион-ное кольцо выбирать хромированным с закругленными наружными кромками и высотой 2,0 мм. Поршни, ра-зумеется, должны иметь высоту канавки под верхнее кольцо соответствующего размера.

Нижнее компрессионное кольцо может быть по-ставлено либо чугунное луженое, либо стальное наборное (пакет колец). В последние годы в автомобильных двигателях все большее распространение получают стальные витые компрессионные кольца тарельчатой формы, изготавливаемые из калиброванной ленты. В качестве верхнего компрессионного кольца они не применяются, поскольку не отводят необходимого коли-чества тепла от верхней части поршня и теряют упругость из-за повышенного нагрева, однако в качестве нижнего компрессионного кольца зарекомендовали себя хорошо, так как отдельные элементы лучше прилегают к стенке цилиндра, чем поставленное в эту канавку одно чугунное кольцо. Между отдельными тонкими пластинками пакета колец образуются канавки, в которых накапливается масло, вследствие чего обеспечивается надежная смазка трущихся поверхностей и улучшается уплотнение цилиндра. К тому же перекрытие замков и плотное прилегание тонких тарельчатых колец к торцевым стенкам канавки поршня способствуют уменьше-нию прокачки масла в камеру сгорания.

В заводском комплекте стальные компрессионные кольца легко отличить от маслосъемных по несколько большей ширине, тарельчатой форме и косому разрезу в замке. Стальные компрессионные кольца, устанавливаемые по два в канавку конусом вниз, имеют более темный оттенок.

Маслосъемные поршневые кольца, осуществляющие отвод излишнего масла со стенок цилиндра и ограничивающие таким образом попадание масла в камеру сгорания, одновременно являются основным элементом поршневой группы, регулирующим смазку верхней зоны стенок цилиндра. Поэтому выбору маслосъем-ных поршневых колец придается большое значение.

Сразу можно отметить, что и чугунные (дренажного типа) и наборные стальные маслосъемныё кольца пока-зали вполне удовлетворительные результаты в самых тяжелых условиях шоссейно-кольцевых гонок и автомобильных ралли. Однако по некоторым соображениям предпочтение все же отдается набору стальных маслосъемных колец. Они имеют меньшую поверхность контакта со стенкой цилиндра, что несколько снижает по-тери на трение. Больший срок службы таких колец по сравнению с чугунными обеспечивается наличием в комплекте расширителя, который создает дополнитель-ное радиальное давление поршневого кольца при его уменьшении вследствие износа. Кроме того, комплект наборного маслосъемного кольца имеет меньшую массу, чем одно чугунное, его легче, проще установить на поршень, в то время как из-за чрезвычайной хрупкости чугунные кольца часто ломаются.

Направляющая часть поршня (юбка)- часть поршня от нижней кромки канавки под маслосъемное кольцо до конца поршня служит для равномерного распределения бокового давления на зеркало цилиндра и для направления поршня при движении соосно цилиндру. В передаче бокового усилия от поршня к цилиндру участвует только часть боковой поверхности юбки, ограниченная в поперечном сечении углом 80- 100°. Это обстоятельство позволяет в целях уменьшения массы поршня и потерь на трение удалить часть юбки. При сборке двигателя с поршнями ГАЗ-24 следует подбирать пару поршень-цилиндр с зазором не менее 0,06-0,08 мм, для двигателя ВАЗ-0,08-0,1 мм.

Рис. 21. Облегченые поршневые пальцы: а - ГАЗ-24; б - М-412; в - ВАЗ

При подборе пары поршень-цилиндр с меньшим зазором даже после длительной и тщательной обкатки двигателя при работе в режиме 6500-7000 об/мин появлялись надиры на стенках цилиндров, в результате которых существенно повышались потери на трение, увеличивался расход масла, снижалась компрессия и заметно падала мощность двигателя.

Поршневой палец служит осью в шарнирном соединении поршня с шатуном, воспринимает все пере-дающиеся между ними силовые нагрузки ударного характера, работает в условиях ограниченной смазки.

Поршневые пальцы двигателей М-412 и ГАЗ-24 можно облегчить без ущерба для прочности (рис. 21). Облегченные поршневые пальцы в течение ряда лет эксплуатации спортивных двигателей подтвердили свою работоспособность и надежность.

КОНСТРУКЦИЯ И ПОДГОТОВКА КРИВОШИПНО-ШАТУННОГО МЕХАНИЗМА

Шатун является частью кривошипно-шатунного механизма двигателя и служит для передачи усилий от поршня к коленчатому валу и, наоборот, от коленчатого вала к поршню в зависимости от направлений действующих сил.

Обтекаемости стержня шатуна придается серьезное значение. Для этого шатун надо обработать на грубом наждачном камне, чтобы уменьшить массу, а полировку выполнить на войлочном круге мелкой наждачной пастой. Окончательно обработанные шатуны не должны отличаться по массе друг от друга больше чем на 1-2 грамма. Облегченный и полированный шатун легче стандартного на 100-120 г.

При подготовке к сборке двигателя увеличенного рабочего объема стандартный шатун требует переделки. Поршень диаметром 92 мм рассчитан на палец диаметром 25 мм (вместо 22 мм в стандартном двигателе М-412). Кроме того, различно у этих поршней и расстояние от оси бобышек до верхней части днища. Поэтому расточка верхней головки шатуна производится несоосно прежнему отверстию (рис. 22). После расточки головки шатуна под размер 26,27+0,02 мм в отверстие запрессовывается готовая разрезная втулка под поршневой палец от двигателя ГАЗ-24 или втулка, самостоятельно изготовленная из рекомендованных материалов. Окончательная расточка или развертка отверстия под поршневой палец производится индивидуально при наличии уже облегченных пальцев диаметром 25 мм.

Не все стандартные шатуны годятся для описанной переделки. Подбор шатунов нужно производить по следующему признаку. Для надежной работы шатуна после расточки под втулкой должно оставаться "металла головки", не считая стержня, не менее 2,5-З мм. Учитывая смещение нижней части расточенного отверстия на 3 мм вниз, исходная толщина материала под втулкой поршневого пальца должна быть не менее 5,5- 6,0 мм. По этому размеру и следует подбирать шатуны, годные под расточку.

По последнему признаку шатуны лучше всего подбирать из одной или соседних весовых групп, чтобы облегчить дальнейшую подгонку по массе.

Цветовой индекс весовой ГРУППЫ наносится на крышке шатуна согласно табл. 26.

При сборке стандартного двигателя или его ремонте важно знать разбивку на группы отверстий головки шатуна. Цветовая маркировка наносится по головке шатуна (табл. 27).

Поршневой палец двигателя ВАЗ в отличие от всех ранее выпускавшихся двигателей в нашей стране имеет неподвижную посадку в шатуне; соответственно нет в шатуне и запрессованной втулки.

Такая конструкция практически не дает возможности произвести разборку узла поршень-палец-шатун,

Таблица 26

Таблица 27

так как при распрессовке ломается поршень. Это следует иметь в виду, планируя ремонт или переборку двигателя. Сборка этого узла производится с предварительным нагревом шатуна до 240° С в термопечи и требует определенной сноровки, ибо шатун быстро охлаждается, а в охлажденном шатуне изменить положение пальца нельзя. Если нет печи, то можно поре-комендовать нагрев верхней головки шатуна газовой горелкой до появления первых цветов побежалости, но не сильнее, так как нагретый докрасна шатун будет деформироваться при сборке.

Коленчатый вал является одной из наиболее ответственных и наиболее сложных в конструктивном и производственном отношении деталей двигателя. Недостаточная надежность коленчатого вала, как правило, служит причиной повышенных износов и сокращения срока службы двигателя. От прочности коленчатого вала во многом зависит возможность форсировки двигателя.

Исходя из условий работы двигателя к конструкции коленчатого вала предъявляют следующие требования: статическая и динамическая уравновешенность; прочность, жесткость и износостойкость шеек вала; отсут-ствие опасных резонансных колебаний; обтекаемость форм; высокая точность изготовления и обработки; возможно малая масса.

Двигатель М-412 имеет некоторое предрасположение к возникновению крутильных колебаний, может быть, из-за того, что передний конец коленчатого вала несколько перегружен. Здесь приводы масляного насоса, распределителя и распределительного вала, всей системы газораспределения, водяного насоса с вентилятором, генератора. Конструкторы предполагают, что именно с этим связан и относительно небольшой срок службы распределителя при предельных нагрузках на двигатель. Действительно, в условиях автомобильных соревнований распределитель приходится менять через каждые 8-10 тыс. км пробега, но это не является "криминалом", так как опыт эксплуатации стандартных и форсированных двигателей с обычными нагрузками позволяет утверждать, что в этих условиях срок службы распределителя соответствует пробегу в 100 тыс. км и более. Других последствий резонансных крутильных колебаний не обнаружено. В таком случае имеет смысл эксперимент со снятием противовесов с коленчатого вала для уменьшения его массы в целях увеличения мощностных показателей при переходных режимах (рис. 23). В настоящее время можно считать, что коленчатые валы с обрезанными противовесами, облегченные на 2,5 кг для ВАЗа и 6,0 кг для М-412, по сравнению со стандартными вполне работоспособны и дают эффект в улучшении динамики автомобиля. Срезать противовесы можно на обычном фрезерном станке с обязательной динамической балансировкой перед установкой ко-ленчатого вала в двигатель. Перед обработкой коленчатого вала или перед его монтажом обязательно проводится обмер диаметров шатунных и коренных шеек микрометром.

Кстати, в литературе имеются сведения, что при подготовке спортивного автомобиля BMW-1800 на некоторых образцах двигателей устанавливаются коленчатые валы без противовесов.

Не вдаваясь в подробный анализ причин, можно рекомендовать использовать коленчатые валы с диаметром коренных шеек 61,94+0,01 мм и шатунных шеек 56,00-0,01 мм для двигателя М-412.

Вкладыши двигателя М-412 (шатунные и коренные)-тонкостенные, триметаллические. Основу вкладышей составляет стальная лента толщиной 1,4 мм, по-крытая слоем свинцовистой бронзы 0,25 мм. Верхний антифрикционный слой представляет собой сплав свинца с индием; глубина последнего слоя 0,02-0,03 мм.

Такие тонкостенные вкладыши обладают хорошей гибкостью и при монтаже точно принимают форму постели. Монтаж вкладышей должен производиться с особой точностью, тщательностью, так как даже небольшие шероховатости постели или попадание под вкладыш твердых частиц искажают его форму, что не только ухудшает отвод тепла от шейки коленчатого вала, но и меняет величину зазора между шейкой и вкладышем, отчего заметно увеличивается их износ.

Вкладыши двигателя М-412 и ВАЗ не требуют индивидуальной подгонки по месту благодаря высокой точности изготовления. Ручная шабровка может только нарушить тонкий верхний антифрикционный слой. Заменять вкладыши в двигателе лучше со снятием колен-чатого вала.

Характерной неисправностью двигателя М-412 по общему мнению считается выход из строя вкладышей независимо от их типа, литража двигателя, степени сжатия, вида соревнований и даже марки автомобиля. Поэтому возникла мысль перейти на конструкцию коленчатого вала не с подшипниками скольжения, а с подшипниками качения.

Коленчатый вал на подшипниках каче-ния в собранном виде показан на рис. 24. Основ-ным его достоинством является заметное уменьшение потерь на трение, благодаря чему можно снизить тре-бования к качеству масла и системе смазки в целом, так как подшипникам качения хватает смазки способом разбрызгивания. Наша промышленность, особенно в производстве двухтактных двигателей для автомобилей и мотоциклов, освоила массовое изготовление валов на роликовых и шариковых подшипниках. Эти двигатели в спортивном варианте надежно работают при 9000-10000 об/мин, что весьма важно для гонщиков.

Некоторые западноевропейские фирмы изготавливают спортивные двигатели не только с коленчатыми валами на подшипниках качения, но и с комбинирован-ной системой - на подшипниках качения и подшипниках скольжения.

Э.Г. Сингуринди вместе с конструкторами Кировского завода и автомобилистами Ленинградского оптико-механического объединения также была предпринята попытка изготовления в 1969-1970 гг. сборного коленчатого вала, где использовались коренные шариковые подшип-ники и роликовые шатунные. Основные размеры коленчатого вала оставались без изменения. Что касается выбора подшипников, то наружные размеры их были ограничены: для коренных-расстоянием между шпильками крепления коренных крышек блока цилиндров, для шатунных-размером кривошипной части шатуна (рис. 25-29).

Исходя из компоновочных соображений и соответст-вия подшипников расчетным нагрузкам на коренную шейку устанавливались два шариковых подшипни-ка № 110 (первая мелкая серия), на шатунную-два роликовых подшипника № 292206.

Роль внутренней обоймы роликовых подшипников выполняет сама шатунная шейка, поэтому твердость ее должна быть не менее HRC 60-65. Радиус кривошипа был оставлен 35 мм.

Изготовление коленчатого вала-дело далеко не простое. С изготовлением заготовок деталей вала особых трудностей не было.

Однако надо, сказать, что точные расчеты коленчатого вала на прочность вследствие сложности его фор-мы и невыявленности точного характера действия расчетных нагрузок, зависящего от жесткости вала и его опор, а также других причин, практически невозможны. Данные показывают, что напряжения в элементах коленчатого вала, полученные при его лабораторных испытаниях, могут отличаться от расчетных в 2-3 раза.

Весьма сложной оказалась и технология сборки. Был испорчен тройной комплект деталей, прежде чем удалось собрать один вал. Поэтому тем, кто возьмется за изготовление сборного коленчатого вала, необходимо учесть некоторые практические рекомендации.

Во-первых, нужно помнить, что такой вал является сборным, но не разборным, т. е. он собирается один раз и навсегда. Значит, во избежание неисправимых ошибок при запрессовке лучше иметь по 1-2 штуки подшипников, щек и шеек сверх комплекта.

Во-вторых, начиная сборку (рис. 30) с запрессовки шариковых подшипников на соответствующие шейки, не забудьте поставить распорную шайбу между каждой парой подшипников. Свободная посадка подшипника на шейку не годится. В этом случае надо заменить либо шейку, либо подшипник. Затем собираются 4 секции, каждая из двух щек и одной шатунной шейки с ролико-выми подшипниками, свободно, но без зазоров садящихся на свои шейки. В связи с тем что посадочные концы шеек запрессовываются в отверстия щек, сборка должна производиться после предварительного нагрева щек и охлаждения шеек по возможности быстро. Собранные секции проверяются на правильность геометрии на специальной плите. Опорными поверхностями для этой и всех дальнейших проверок являются точно обработанные (не ниже 7 класса) грани щек.

Проверенные секции собираются попарно с помощью второй и четвертой коренных шеек по такой же технологии. Полученные теперь уже две секции опять обязательно проверяются на плите с применением шлифованных брусков одинаковых размеров.

Последний, самый ответственный момент сборки вала - соединение двух последних секций между собой средней коренной шейкой. Запрессовка переднего и заднего концов коленчатого вала уже труда не представит.

Если после сборки вала при окончательной проверке на плите его кривизна во всех плоскостях оказалась не более 0,02-0,03 мм, считайте, что вам повезло. Такой вал можно устанавливать в двигатель. Для установки собранного вала в двигатель поса-дочные места коренных подшипников блока цилиндров растачиваются под размер 80-0,02 мм, а нижнее от-верстие шатуна - под размер 72-0,02 мм. Расточку блока цилиндров лучше производить за одну установку на станке, чтобы сохранилась строгая соосность постелей под коренные подшипники. При этом возникает необходимость в снятии части металла со шпилек крепления крышек коренных подшипников и болтов крепления крышки шатуна. К этому вынуждают наружные размеры подшипников. Однако в процессе эксплуатации собранного нами вала нареканий на крепление не было.

Правильно собранный и закрепленный в блоке цилиндров вал вращается с легкостью, близкой к легкости вращения велосипедного колеса. Точно собранный коленчатый вал практически в балансировке не нуждается. Например, при проверке нашего вала его дисбаланс оказался в пределах 3-5 г/см.

Уже отмечалось, что подшипникам качения в двигателе достаточно смазки разбрызгиванием, но дополни-тельно можно использовать смазку под давлением, по-даваемую в отверстия коренных подшипников блока цилиндров. Для этого в масляных отверстиях нарезается резьба М10 и вворачиваются пробки типа жиклеров карбюратора с отверстием 0,7 мм.

Маховик в автомобильном двигателе служит для выравнивания скорости вращения коленчатого вала, вы-вода из мертвых точек кривошипно-шатунного механизма и осуществления вспомогательных тактов рабочего процесса. Кроме этого, маховик выполняет несколько конструктивных функций. На его обод напрессован венчик для прокрутки двигателя стартером, а на торцевую шлифованную поверхность опирается фрикционный диск сцепления.

С точки зрения подготовки стандартного двигателя к соревнованиям нас больше интересует первая и главная часть функций маховика, так как их выполнение позволяет получить необходимую равномерность хода двигателя.

Нет ли здесь резерва полезной мощности для спортивного двигателя?

Есть. Нужно уменьшить массу маховика. Причем каждый грамм, "снятый" на максимальном удалении от центра маховика, полезнее нескольких-граммов, "снятых" ближе к центру и имеющих поэтому незначительный радиус вращения. Ведь нам важно не просто уменьшение массы маховика, а уменьшение величины его момента инерции.

Однако вопрос облегчения маховика не так прост. Теоретические и экспериментальные исследования по-казывают, что с увеличением равномерности крутящего момента (равномерности хода двигателя), достигаемой за счет достаточной величины махового момента (кинетической энергии, накапливаемой маховиком), заметно улучшаются условия работы двигателя и механизмов трансмиссии. Автомобиль лучше трогается с места, износ его деталей вследствие ослабления ударности на-грузки и колебаний, сопутствующих неравномерному ходу двигателя, уменьшается, работа двигателя делает-ся более спокойной.

Нами был произведен, ориентировочный расчет размеров маховика М-412 и ВАЗ, необходимых: для равномерной работы двигателя при наименьших устойчивых оборотах (холостой ход), для обеспечения нормального пуска двигателя и трогания автомобиля с места при наименьших оборотах и мгновенном включении сцепления.

Размеры расчетного маховика оказались меньше, причем настолько, что на такой маховик невозможно было бы поставить сцепление. Значит, маховик можно было значительно облегчить, оставив его прежние размеры. Наш новый маховик весил всего 4 кг, вместо 8кг, сохранив свою прочность.

Предлагаемый вариант облегченного маховика испытан в большом числе различных соревнований и на разных двигателях, так что можно рекомендовать его широкое применение. Единственным и безусловным условием является динамическая балансировка облегченного маховика, произведенная отдельно от коленчатого вала.

Не следует забывать, что в двигателе М-412 маховик крепится на фланец коленчатого вала в любом положении, а в двигателе ВАЗ при установке маховика на коленчатый вал необходимо, чтобы метка (конусообразная лунка) около зубчатого обода маховика и ось шатунной шейки первого цилиндра находились в одной плоскости и по одну сторону от оси коленчатого вала.

КОНСТРУКЦИЯ И ПОДГОТОВКА ГОЛОВКИ БЛОКА ЦИЛИНДРОВ

Головка блока цилиндров двигателя вместе с цилиндром образует надпоршневую полость, в которой осуществляются все тепловые процессы рабочего цикла. Сложность конструкции головки цилиндров обусловлена множеством функций, которые она выполняет, а также рядом требований, предъявляемых к ней:

обеспечение формы камеры сгорания, способствующей улучшению процесса сгорания для достижения максимальных значений среднего эффективного давления;

достаточная жесткость и прочность;

возможность размещения распределительного вала;

плавность переходов и равномерность толщин стенок для увеличения надежности при действии механических и тепловых нагрузок;

обеспечение минимального сопротивления во впускном и выпускном трактах;

обеспечение равномерной циркуляции охлаждающей жидкости при более интенсивном охлаждении наиболее горячих стенок вокруг выпускного канала;

возможность размещения впускного и выпускного патрубков и другого вспомогательного оборудования.

Головка цилиндров двигателя М-412 выполнена из алюминиевого сплава АЛ-4 с твердостью не менее НВ 75. Хорошая теплопроводность алюминиевого сплава предопределяет возможность форсировки двигателя, связанной с повышением тепловой напряженности головки цилиндров и оборудования, размещенного на ней.

Спортсменам, выполнившим спортивный разряд и дошедшим до финиша нескольких соревнований за счет надежности стандартного двигателя, пора задуматься о повышении динамики автомобиля и повышении его максимальной скорости.

Первое мероприятие в этом направлении всем хорошо известно - это повышение степени сжатия путем фрезерования плоскости разъема головки цилиндров за счет уменьшения объема камеры сгорания.

В табл. 28 приведены расчетные значения степени сжатия двигателя М-412 для различной глубины фрезерования головки цилиндров. (Степень сжатия стандартного двигателя М-412=8,8.)

Таблица 28

Зависимость степени сжатия двигателя М-412 от глубины фрезерования головки блока

Таблица 29

Зависимость степени сжатия двигателя ВАЗ-21011 от глубины фрезерования головки блока

Завод ВАЗ выпустил головки блока с тремя маркировками, отлитыми с левой стороны над плоскостью разъема. Головки с маркировкой 2101-1003015 и 21011-1003015-10 (унифицированная головка, устанавливаемая в настоящее время на двигатели всех моделей) имеют одинаковый объем камеры сгорания- 32 см3. Головка блока с маркировкой 21011-1003015 устанавливалась до середины 1976 г. только на двигатели ВАЗ-21011. Это следует учитывать при комплектации деталей для сборки двигателя.

У двигателя ВАЗ-2106 поршень не доходит до верхней плоскости блока 1,9 мм (у ВАЗ 21011-0,1 мм), поэтому в табл. 30 приведены значения степени сжатия в зависимости от глубины фрезерования не только головки блока, но и самого блока или головки и блока вместе. Фрезерование головки блока более чем на 3 мм опасно с точки зрения вскрытия водяных каналов.

Обе таблицы составлены с учетом заводской комплектации в настоящее время, т. е. имеется в виду установка унифицированной головки на все двигатели. Поршни в двигателях ВАЗ-21011 имеют плоское днище, а поршни ВАЗ-2106-с проточкой на днище (объем этой проточки 1,7 см3).

Лучше всего фрезеровать полностью разобранную головку цилиндров, т. е. без всасывающего и выхлопного патрубков, бензонасоса, распределительного вала и всей системы газораспределения, но с закрепленной крышкой шестерни привода распределительного вала (М-412).

Фрезеровать желательно на вертикально-фрезерном станке фрезой, которая всю плоскость головки по ширине может пройти за один проход. Впрочем, годится любая другая технология фрезерования при условии, что чистота обработки плоскости головки будет не хуже производимой заводом-изготовителем. Как правило, опытный фрезеровщик проходит плоскость головки 2 или 3 раза независимо от выбранной глубины фрезерования. Делается это во избежание ошибок, которые потом трудно исправить. После закрепления головки на станке проверяется правильность ее установки по уровню. Первый проход- проверочный - осуществляется на меньшую глубину, чем предполагаемая для выбранной степени сжатия. Если после первого прохода высота головки цилиндров по всему периметру одинакова (исходный размер стандартной головки-108,5 мм), то можно уверенно производить окончательную обработку.

После фрезерования снимаются заусенцы и головка тщательно очищается от стружки. Желающим произвести подготовку головки блока цилиндров по программе максимум, однако, рано думать о сборке головки и постановке ее на двигатель. Надо на расточном станке произвести тонкую и сложную работу по расточке седел для клапанов увеличенного диаметра (рис. 33, 34, 35).

рис. 33-34

рис.35

рис. 36

Улучшение условий наполнения цилиндров горючей смесью и очистки их от продуктов сгорания, осуществляемое за счет постановки увеличенных клапанов (рис. 36), дает прибавку в мощности на 5 л. с., как было специально замерено на испытательном стенде Центрального института топливной аппаратуры на стандартном двигателе М-412.

Алюминиевые головки цилиндров всех автомобильных двигателей изготавливаются со вставными седлами под клапаны из высокопрочного жаростойкого чугуна, имеющего высокий коэффициент расширения. Чтобы плотно и надежно посадить вставные седла в головку, ее нагревают примерно до 170-220° С, а седла охлаждают до температуры сухого льда -80° С.

На двигателях ГАЗ после такой сборки седла еще обвальцовывают путем уплотнения вокруг них материала головки. Это необходимо делать, потому что наиболее горячим местом головки является перемычка между гнездами седел клапанов, нагревающаяся до температуры выше +200° С. Так как механическая прочность алюминиевых сплавов при нагреве снижается, то плохая посадка вставного седла может привести не только к потере герметичности, но и к выходу из строя всей головки.

Проточить седла клапанов под нужный размер проще, если они отделены от головки цилиндров. Но как после этого снова надежно запрессовать седла в головку, если уже нарушены посадочные места при выпрессовке? Поэтому и рекомендуется расточка седел непосредственно в головке блока, хотя для этого потребуются специальные победитовые резцы и приспособления, позволяющие растачивать седло соосно направляющей втулке клапанов. Одновременно фаска седла всасывающего клапана делается под углом 30° вместо 45°.

Для тех же целей, т. е. для улучшения наполнения цилиндров и создания минимального сопротивления выхлопным газам, производится обработка всасывающего и выхлопного каналов головки цилиндров, а также соответствующих патрубков. Самого материала головки при этом снимать много не приходится, так как каналы кроме приливов для запрессовки направляющих втулок клапанов имеют достаточное проходное сечение. Практика показала, что укороченные направляющие втулки вполне работоспособны (не наблюдалось повышенного износа по внутреннему диаметру, как предполагалось ранее), а каналы головки цилиндров приобретают хорошую геометрическую форму.

Выступающие в каналы части направляющих втулок срезаются на сверлильном станке сверлом диаметром 22-25 мм на малых оборотах со стороны седла клапана. Доводка чистоты клапанов головки делается набором шарошек, а затем наждачной лентой, закрепленной в патрон электродрели. Аналогично производятся работы с всасывающим и выхлопным патрубками.

Следует особо отметить, что значительные потери в мощностных показателях двигателя появляются при неточной стыковке каналов головки с соответствующими патрубками. При обработке каналов головки на это сразу надо обратить внимание, подогнать по месту все прокладки и ликвидировать уступы за счет подгонки патрубков, не трогая подготовленные каналы головки.

До сих пор речь шла о комплексе работ по подготовке головки цилиндров для стандартного двигателя. Все эти работы остаются необходимыми и при подготовке головки цилиндров для двигателя с увеличенным рабочим объемом, но появляется необходимость дополнительных обработок и меняется их порядок.

После установки гильз цилиндров и поршней диаметром 92 мм стандартная головка М-412 может быть использована лишь с частично заваренными водяными каналами вокруг камеры сгорания во избежание нарушения герметичности и прорывов газов в систему охлаждения.

Уменьшение сечения каналов охлаждающей системы в этом случае не имеет значения, так как интенсивность циркуляции охлаждающей жидкости по-прежнему будет лимитироваться проходным сечением отверстий прокладки головки цилиндров. Конструктивно вновь наваренный материал головки оказывается напротив торцов гильз цилиндров и является поэтому опорной поверхностью при зажатии головки цилиндров на блоке. Это обстоятельство обусловливает значительные напряжения в сварочном шве и предъявляет особые требования к качеству дополнительной наварки в местах соединения с основным материалом головки.

Горький опыт испорченных головок цилиндров и выхода из строя двигателей в ряде случаев из-за откалывания наваренного алюминия помог отработать следующую технологию.

Сначала фрезеруется плоскость головки на 2-2,5мм, затем провариваются водяные каналы, а после этого проводится уже окончательное фрезерование до глубины 3-5 мм в зависимости, от выбранной степени сжатия.

В связи с использованием поршней с плоским днищем зависимость степени сжатия от глубины фрезерования для двигателя с рабочим объемом 1870 см3 меняется по сравнению со стандартным двигателем следующим образом (табл.31):

Таблица 31

Для обеспечения свободного прохождения поршнем ВМТ в каждой из четырех камер сгорания головки делается коническая выточка с наружным диаметром 92 мм . Сделать эту выточку полностью на фрезерном или расточном станке нельзя, так как на ее пути лежит седло всасывающего клапана. Поэтому на станке выбирается металл до тех пор, пока фреза или резец не приблизится к седлу. Остальную работу приходится делать вручную шарошкой. Когда работа подходит к концу, головку надо примерить на собранный блок цилиндров. При этом головка блока, конечно, без всякого оборудования ставится без прокладки и в середине слегка поджимается двумя гайками.

Задача первой примерки - добиться свободного вращения коленчатого вала без следов столкновения поршней с головкой в местах конусной проточки. Чтобы следы столкновения, если они будут, стали более заметны, края днища поршня можно смазать тонким слоем нигрола или гипоидной смазки. При этой же примерке проверяется правильность расположения и глубины выборки на днище поршня. Если она произведена неправильно, на выборке в поршне остается след столкновения с седлом всасывающего клапана. Тогда выборку надо углубить или сместить в сторону.

Как правило, ликвидация всех мест столкновений поршня с головкой сводится к выборке металла в районе седла всасывающего клапана и некоторого углубления за этим седлом. Дело это трудоемкое, требует терпения и аккуратности. Обычно такая подгонка заканчивается после примерки головки цилиндров 10-12 раз. Следующая примерка делается по такой же методике, но в головку предварительно ставят уже всасывающие и выхлопные клапаны. Задача такой примерки (опять без прокладки головки) - проверить, не упирается ли поршень своей выборкой во всасывающий клапан в закрытом состоянии. Если упирается, требуется доработка выборки в поршне; если нет - можно браться за окончательную работу над поверхностью и объемом камеры сгорания.

Считаем само собой разумеющимся, что до Постановки клапанов в головку они помечены по номерам цилиндров, добросовестно притерты пастой и проверены обычными методами на герметичность.

Головку цилиндров с собранными клапанами проверяют на величину объема камеры сгорания, точнее, на величину объема сегментной полости, часть которой является камерой сгорания (свеча ввернута). Для точного замера объема используется пластинка размером 25 Х 25 см, толщиной 3-4 мм из оргстекла. В пластинке делаются два отверстия диаметром 4 мм. Одно для заливки воды, другое для выхода воздуха. Пластинка смазывается тонким слоем солидола и плотно прижимается к плоскости головки. Такой замер объема исключает ошибки из-за случайного перелива воды.

В связи с доработкой конусной выточки вручную неизбежно появится разница в объемах камеры сгорания (будем пока так называть для простоты изложения объем сегментной полости), иногда до 3-5 см³.

Подгонка камеры сгорания по объему производится за счет выборки в местах технологических выступов материала головки - между седлами клапанов и вблизи отверстия под свечу. Эту работу можно считать оконченной лишь в том случае, если разница в объемах не превышает 0,5-1 см³. Теперь можно слегка "пошкурить" поверхность камеры сгорания для ликвидации оставшихся рисок - потенциальных центров детонационного горения смеси и мест отложения нагара. Перед окончательной сборкой двигателя можно рекомендовать полировку поверхности камеры сгорания и днища поршня.

Головка промывается бензином, затем водой из шланга под напором и продувается сжатым воздухом. Чтобы не появилась ржавчина на стержнях, тарелках и седлах клапанов, эти места поливаются моторным маслом из тонкой масленки. Дальнейшая сборка головки сводится к установке в нее рокерных валиков с коромыслами, распределительного вала, наконечников клапанов и регулировке (предварительной) зазоров между клапаном и наконечником в пределах 0,2-0,25 мм.

Третья, окончательная примерка производится после подготовки шестерни привода распределительного вала со сдвинутым по фазе отверстием под штифт. После фрезерования головки цилиндров ось вращения кулачкового вала располагается на величину фрезеровки ближе к оси коленчатого вала. Из-за изменения межосевого расстояния между валами обе ветви цепи привода распределительного вала ослабнут, если предположить, что метка шкива коленчатого вала и метка распределительного вала находятся в положении, соответствующем ВМТ первого поршня. Представим себе, что из этого статического положения начинает работать двигатель, т. е. начинает вращаться коленчатый вал. Слабина ведомой ветви цепи компенсируется дополнительной натяжкой промежуточной шестерни, а за счет слабины ведущей ветви распределительный вал начнет отставать на некоторый угол от своего нормального положения (когда метка стоит напротив прилива в головке). Чем больше глубина фрезерования головки, тем на больший угол распределительный вал будет отставать (табл. 32).

Таблица 32

Компенсировать угол отставания можно поворотом шестерни относительно переднего фланца распределительного вала на тот же угол против часовой стрелки. Но как закрепить теперь шестерню, если не совпадают на этот угол отверстия под крепежные болты и под штифт? Смещение ближайшего отверстия под крепежный болт (в направлении по часовой стрелке) от штифтового отверстия составляет 45°. Рассверливаем его до диаметра 8 мм. под штифт. На фланце распределительного вала все остается на своих местах. Переставляя шестерню на распределительном валу так, чтобы штифт попал в новое отверстие, получаем смещение на 45°, а фактически, передвигая цепь на 4 зуба (по 10°), получаем смещение на 5°. Этого достаточно, так как фрезерование для двигателя М-412 производится обычно на глубину 3,5-5 мм, и при смещении шестерни на 5° метка распределительного вала не выходит за пределы прилива на головке.

Следствием нового способа при постановке шестерни на вал является совпадение лишь одного из четырех крепежных отверстий (бывшее штифтовое). Остальные три сверлятся нужным диаметром. Таким образом, одна такая шестерня "обслуживает" все головки и все распределительные валы. Новое штифтовое отверстие на шестерне лучше сразу пометить каким-либо способом, например, выбить рядом цифру 5 (смещение на 5°), чтобы в дальнейшем при сборке двигателя не создавать себе лишних "поисковых" проблем. Теперь имеется все необходимое для третьей, окончательной: примерки собранной головки цилиндров на блоке. Задача этой примерки, так же как и предыдущей, проверить, не происходит ли "встреча" всасывающего клапана и поршня, но уже в динамике с присоединенной шестерней распределительного вала и цепью.

Если двигатель проворачивается свободно без прокладки головки, то можно гарантировать безаварийную работу его после постановки прокладки. Прокладку головки блока для двигателя увеличенного литража изготавливают, используя прокладку серийного двигателя, так как опыт использования медных прокладок различной толщины (от 0,2 до 2 мм), а также составных прокладок положительных результатов не дал. В стандартной прокладке, на специальном приспособлении вырубаются отверстия диаметром 94 мм. Для металлических колец лучше брать листовую нержавеющую сталь толщиной 0,35-0,4 мм, предварительно отожженную в вакуумной среде. Окантовка отверстий прокладки головки производится на вальцовочном станке. Для двигателей ВАЗ, особенно форсированных до степени сжатия 11,0-11,5, хорошо зарекомендовала себя комбинированная прокладка головки блока, состоящая из колец отожженной красной меди, которые уплотняют камеру сгорания, и стандартной прокладки для уплотнения соединений по системе охлаждения и смазки (рис.
37).

рис. 37

ОСОБЕННОСТИ МЕХАНИЗМА ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ФОРСИРОВАННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Механизм газораспределения в автомобильном двигателе предназначен, для впуска в цилиндры свежей горючей смеси и для выпуска отработавших газов и должен обеспечивать наилучшие условия наполнения и очистки цилиндров, надежную работу двигателя на всех скоростных и нагрузочных режимах, высокую износостойкость и долговечность деталей, входящих в его конструкцию. Впускной и выпускной клапаны двигателя работают в тяжелых условиях. Поэтому они должны быть прочными и износостойкими.Головка впускного клапана во время работы периодически омывается сравнительно холодным потоком свежей горючей смеси, в связи с чем нагревается не выше 300-400° С. Это дало возможность при изготовлении клапанов увеличенного диаметра для форсированного двигателя выполнить их с углом фаски 30° вместо 45°. Такая фаска хотя и снижает общую жесткость клапана, но обеспечивает большую величину площади его проходного сечения при относительно малой высоте подъема.

Кроме того, при изготовлении указанного клапана из впускного клапана двигателя ГАЗ-24* появляется возможность использовать хорошо выраженную тюльпанообразность последнего. По сравнению с плоскими тюльпанообразные головки клапана имеют лучшую обтекаемость со стороны входа потока смеси и несколько улучшают процесс вихреобразования в цилиндре благодаря тому, что за клапаном возникает движение потока воздуха, повторяющее геометрическую форму впадины в его головке. Масса впускного клапана увеличенного размера оказалась меньше (67 г), чем масса стандартного клапана (75 г).

Выпускной клапан, омываемый горячим потоком отработавших газов, работает при очень высокой температуре (800-850° С) в химически агрессивной среде, содержащей сернистые и другие компоненты. Основная часть теплоты, воспринимаемой выпускным клапаном, отводится через его седло. Из-за высокой температуры, окисления и подгорания посадочного пояска головки на клапане в форсированном двигателе часто образуется окалина. Это ухудшает теплоотдачу от клапана к седлу, повышает его температуру и может привести к прогоранию. Поэтому за герметичностью выпускного клапана следует следить с особым вниманием. Проверку на герметичность следует делать при каждом снятии головки цилиндров, а притирку производить обязательно после 2-3 ралли, т. е. через каждые 15-20 тыс. км пробега.

Опробованная ширина фаски 0,8-1,0 мм хорошо себя зарекомендовала на двигателях ВАЗ, а герметичность при этом сохраняется несколько дольше. Клапанные пружины занимают особое место в работе всего механизма газораспределения. К ним предъявляются следующие требования: обеспечение плотной посадки клапана в периоды его закрытия и предотвращение самопроизвольного открытия клапанов; обеспечение кинематической связи клапана с кулачком распределительного вала на практически допустимом скоростном режиме; отсутствие вибраций на рабочих режимах. При подготовке двигателей к соревнованиям необходимо повысить жесткость клапанных пружин на 15-20%, так как в режиме 6500-7000 об/мин в двигателе появляются перебои, связанные с нарушением четкости работы клапанного механизма.

На УМЗ это делается подбором более жестких пружин (наружной и внутренней) из числа стандартных, а под клапанные пружины подкладывают шайбы высотой 1,5-1,6 мм*.Имея достаточный выбор из старых и новых пружин, подбираем их так, чтобы суммарное усилие каждой пары (наружной и внутренней) пружин было одинаковым во всем комплекте.

Делается это на простом приспособлении (рис. 38) замером деформации пружины в миллиметрах при одинаковой нагрузке (5 кг). Подбор пружин с одинаковой жесткостью не менее важен, чем подгонка по массе шатунов, поршней, клапанов и других деталей двигателя, совершающих возвратно-поступательное движение. Повышение жесткости клапанных пружин преследует одну цель: снизить влияние сил инерции, которые зависят в первую очередь от массы деталей механизма газораспределения. В двигателе М-412 применяются коромысла из прочного чугуна. Несмотря на их массивность при больших оборотах встрелись случаи их поломки.

рис. 38

В 1972 г. на УМЗ была изготовлена опытная партия стальных коромысел. Они при сравнительно малом весе достаточно прочны. Поэтому, не боясь поломки двигателя, можно развивать обороты до 7000-7500 об/мин. Но имеется и существенный недостаток. Пара "чугунный кулачок распределительного вала - стальное коромысло" работает с повышенным трением и, следовательно, перегревом в месте контакта. В результате появляются значительные износные выработки на кулачке и наконечнике коромысла. Смазывающий и охлаждающий эффект моторного масла при существующей системе смазки оказывается недостаточным. На
рис. 39 показана измененная система смазки, которая позволила интенсифицировать подачу масла непосредственно в место контакта кулачка с коромыслом. Срок службы стальных коромысел стал не меньше, чем чугунных. Эту систему смазки можно использовать и при стандартных чугунных коромыслах, так как на практике, хотя и редко, бывают надиры на кулачках и наконечниках коромысел 4-го всасывающего клапана. Переделка системы смазки сводится к сверловке отверстий в головке блока и в осях коромысел и перекрытию (можно мягкими заклепками) отверстий для смазки коромысел в средней шейке распределительного вала.

рис. 39

После сборки головки цилиндров следует обратить внимание на то, чтобы виток пружины на оси коромысла не перекрывал вновь сделанное отверстие для смазки. Обычно высокооборотные двигатели имеют сильно развитые фазы газораспределения. С увеличением числа оборотов возрастает скорость движения газов в трубопроводах и соответственно увеличивается инерция газового потока, которая используется для улучшения наполнения цилиндров горючей смесью и для лучшей очистки цилиндров от отработавших газов. Для более полной очистки цилиндров и уменьшения противодавления на поршень при вытеснении им отработавших газов выпускной клапан открывается значительно раньше, чем поршень достигает НМТ. При больших числах оборотов отработавшие газы не попадают во впускной трубопровод, а свежий заряд горючей смеси - в выпускной, так как потоки их имеют разное направление. При малых же оборотах коленчатого вала подобные явления могут иметь место в период перекрытия клапанов. Поэтому выбор фаз газораспределения проверяется экспериментально в зависимости от назначения двигателя.

Система питания форсированного двигателя

Система питания форсированного двигателя должна обеспечивать повышение мощностных показателей, автоматическое поддерживание необходимого состава смеси на всех режимах работы, минимальную инерционность топливовоздушной смеси при быстро меняющихся нагрузках двигателя, т. е. приемистость и высокую надежность. Особое значение имеют воздухофильтры, впускные трубы и карбюраторы. Впускная труба форсированного двигателя должна иметь минимальное сопротивление потоку горючей смеси. Значит, проходные сечения должны быть достаточно широкими, крутые перегибы - отсутствовать. Конструкция впускной трубы должна обеспечивать равномерное распределение смеси по цилиндрам. Обычно впускная труба форсированного двигателя не имеет подогрева. Это увеличивает весовой заряд воздуха, что способствует улучшению наполнения. При необходимости применения воздухофильтра он должен обладать минимальным сопротивлением при высокой степени очистки воздуха. Этому требованию в большей степени отвечает бумажный элемент воздухофильтра двигателя ВАЗ-2101. Для уменьшения сопротивления впускного тракта весьма целесообразно применение двух- и четырехкамерных карбюраторов, которые вполне можно подобрать на разборке от двигателя соответствующего (или немного большего) рабочего объема иномарки. Карбюраторы форсированного двигателя должны быть отрегулированы на обогащенную, рабочую смесь для получения максимальной мощности и в целях
снижения температуры в камере сгорания.

Применение карбюраторов с переменным сечением диффузора позволяет уменьшить количество переключений передач, так как при низких оборотах двигателя и полностью, открытой дроссельной заслонке золотник перекрывает часть сечения диффузора и поддерживает высокую скорость проходящего воздуха. Такие карбюраторы широко применялись на европейских моделях автомобилей "форд". Поэтому карбюраторы с постоянным разрежением у распылителя называют также карбюраторами с постоянной скоростью в диффузоре или с переменным диффузором. Карбюраторы устанавливаются в середине 1-го и 2-го, а также 3-го и 4-го цилиндров на расстоянии примерно 150 мм от плоскости головки двигателя. Впускная труба может быть выполнена из двух отдельных симметричных патрубков, соединенных между собой трубкой сечением 12-18 мм. Следует также рассмотреть установку на двигатель М-412 четырех горизонтальных однокамерных карбюраторов К-194, какие (правда, в ограниченном количестве) выпускал Ленинградский карбюраторно-арматурный завод. Это карбюраторы с плоским дросселем, дозирующей иглой и центральной поплавковой камерой и поплавковым механизмом, снабженным рычажным устройством. Диаметр диффузоров 30 и 32 мм. Они предназначены для установки на гоночные мотоциклы, но с успехом могут быть применены на форсированном автомобильном двигателе. Установка четырех однокамерных горизонтальных карбюраторов не требует сложных впускных патрубков. Их обычно точат на токарном станке в форме катушки. Остается только сделать конфигурации фланца головки и карбюраторов.

Карбюраторы снабжаются сменными расширяющимися воздухозаборниками (насадками), уменьшающими вихреобразование на входе и позволяющими подбирать длину впускного тракта двигателя в целях оптимального использования колебаний потока горючей смеси для повышения коэффициента наполнения. Как показывает опыт, для форсированного двигателя с рабочим объемом 1,5-1,9 л длина впускного тракта должна быть 250-300 мм.

Хорошие результаты может дать система питания, состоящая из двух карбюраторов 2101 (рис.
41). Карбюратор 2101 вертикальный двухкамерный с последовательным открытием дроссельных заслонок.

рис. 41

Главные топливные жиклеры приближены к оси симметрии поплавковой камеры, что обеспечивает хорошую работу двигателя на затяжных виражах. Подвеска поплавка у передней стенки поплавковой камеры предотвращает значительное изменение уровня при отливах топлива на виражах. Большие проходные сечения главных воздушных и топливных жиклеров, а также распылителя позволяют карбюратору быстро реагировать на изменение нагрузки двигателя. Карбюратор снабжен ускорительным насосом диафрагменного типа, подача которого 3-4 см3/10 ходов. Этого для форсированного двигателя явно недостаточно, даже при установке двух карбюраторов. При плавном открытии дроссельных заслонок подача значительно меньше, так как ускорительный насос снабжен перепускным жиклером диаметром 0,45 мм. Так же, как и при установке одного карбюратора на серийную впускную трубу, следует увеличить диаметр форсунки ускорительного насоса до 0,55 мм, что увеличит подачу примерно в 1,5 раза. Карбюратор не имеет привода к вакуум-корректору. Для этой цели можно использовать трубку отсоса картерных газов.

При проведении полного комплекса мероприятий по форсировке двигателя, особенно связанных с увеличением рабочего объема, требуется интенсификация работы системы охлаждения, так как стандартная система не справляется с отводом заметно увеличившегося количества выделяемого тепла.

Установка гильз цилиндров диаметром 92 мм в стандартный блок цилиндров двигателя М-412 существенно уменьшает объем охлаждающей жидкости непосредственно в рубашке охлаждения блока цилиндров, что обязывает увеличить скорость ее протока.

Достигается это несколькими способами. Во-первых, можно увеличивать число оборотов водяного насоса, заменив стандартный шкив шкивом меньшего диаметра . Этот шкив изготавливается из алюминиевого сплава и весит 175 г. Стандартные шкивы выпускаются заводом-изготовителем штампованные (масса 360 г) и точеные (масса 800 г). Понятно, что для разгрузки подшипников водяного насоса лучше выбрать более легкий шкив. Установка шкива меньшего размера предполагает использование более короткого ремня вентилятора. Кроме того, имеет безусловный смысл установка водяного насоса с крыльчаткой из алюминия. Во-вторых, можно установить радиатор, у которого емкость и поверхность охлаждения больше, чем штатного радиатора. Сменить радиатор довольно просто, а все щели вокруг него надо заделать (обклеить поролоном), чтобы поток встречного воздуха использовался для охлаждения наиболее эффективно.

В-третьих, можно несколько уменьшить общее сопротивление системы охлаждения за счет увеличения проходного сечения в наиболее узких местах. К этому относится установка промежуточного фланца под переднюю крышку водяной рубашки блока цилиндров толщиной 4 мм, а также расширение на 3-4 мм пространства между боковой крышкой водяной рубашки (под выпускным патрубком) и приливами блока цилиндров.

До установки на автомобиль форсированный двигатель желательно первый раз завести на стенде. Основное внимание при этом уделяется контролю за давлением масла и проверке годности всех прокладок. Если двигатель работает неравномерно или прослушиваются посторонние стуки, надо тщательно разобраться в причинах этого и добиться четкой работы до установки двигателя на автомобиль.

На прощание хочу напомнить, что тормозная система автомобиля далеко не всегда способна справиться с возросшей скоростью автомобиля, поэтому не стоит ею излишне увлекаться. Удачи Вам на дорогах!

http://z-streetracing.narod.ru