Дополнительное компрессионное кольцо на ЗАЗ 968
В течении многих десятилетий отечественным производителем, Запорожским автомобильным заводом, выпускался в различных модификациях автомобиль «Запорожец». За долгое время накопился большой парк этих автомобилей и особенно модели ЗАЗ 968 и его модификаций. Машина показала себя неприхотливой, обладающей высокой проходимостью и неплохой нагрузочной способностью. Много автомобилей ЗАЗ являются незаменимыми помощниками в условиях села и города, сочетая в себе низкую стоимость и простоту в обслуживании.
Однако при наличии многих положительных качеств автомобиль ЗАЗ 968 имеет ряд конструктивных особенностей, которые можно назвать его недостатками. Одним из самых важных недостатков является малая мощность силового агрегата – двигателя МеМЗ 968ГЭ. Малая мощность сочетается с высоким расходом топлива, реально достигающим 10 литров на 100 километров.
В нашей семье до недавнего времени был автомобиль ЗАЗ 968М и во время проведения ремонта я решил внимательно изучить двигатель и попытаться внести такие изменения в его конструкцию, которые бы позволили увеличить мощность с одновременным снижением расхода топлива.
Недостатки двигателя МеМЗ 968ГЭ и возможные пути их устранения
Любые попытки внести изменения в топливную систему с целью экономии топлива приводили к положительному результату только вместе со снижением динамических характеристик автомобиля. Однако в наших условиях горной местности уменьшение мощности в целях экономии топлива приводит к другому затруднению – перегреву на затяжных подъемах. Воздушное охлаждение не позволяет эффективно охлаждать цилиндры двигателя при работе с очень высокими нагрузками. Требовалось вносить изменения в конструкцию двигателя, что стало возможным при его капитальном ремонте.
Внимательно изучив принципы работы двигателей внутреннего сгорания, я понял, что мощность двигателя можно повысить несколькими путями:
- увеличением объема цилиндров и количества подаваемого топлива;
- увеличением длины хода поршня и соответствующим увеличением степени сжатия топливно – воздушной смеси в цилиндрах;
- увеличением давления сжатия топливно – воздушной смеси в цилиндрах каким – либо другим способом.
Первый вариант мной не рассматривался, так так он приводит к еще большему расходу топлива.
Второй вариант оказался трудно выполнимым, так как требует изменения конструкции коленчатого вала и удлинения шатунов. Такую работу возможно сделать только в заводских условиях и потому я не разрабатывал этот вариант.
Разрабатывая третий вариант, я пришел к выводу, что увеличить давление сжатия рабочей смеси в цилиндрах можно двумя способами – уменьшить при сжатии утечку смеси, а при рабочем ходе уменьшить прорыв выхлопных газов в картер двигателя между корпусом цилиндра и корпусом поршня (первый способ), или принудительно нагнетать воздух в цилиндры для создания давления в них еще на стадии впуска (второй способ).
Второй способ достаточно труден в реализации и требует тщательной разработки. В настоящее время я веду разработку конструкции нагнетателя воздуха с ременным приводом, однако более простым, хотя и менее эффективным, является первый способ. Рассмотрим, что нам даст уплотнение зазора между поршнем и стенками цилиндра при работе четырехтактного карбюраторного двигателя, каким является двигатель МеМЗ968ГЭ.
При проектировании и расчете двигателя внутреннего сгорания величина давления в цилиндре при сжатии рабочей смеси (так называемая компрессия ) имеет важнейшее значение и оказывает прямое влияние на эффективную мощность двигателя.
Начнем с цикла впуска. Формула расчета давления в конце цикла впуска имеет вид:
Ра = Р0 - ? Ра
где Р0 – плотность заряда (давление в цилиндре) на впуске, ? Ра - потери воздуха из – за сопротивления впускных каналов и неплотности зазора между поршнем и цилиндром. Здесь мы видим, что уплотнение зазора уменьшает потери при впуске за счет увеличения разрежения в цилиндре при впуске.
Соответственно мы получаем давление в конце сжатия в соответствии с формулой:
Рс = Ра ? ? n ,
где Ра - давление в конце цикла впуска, ? - степень сжатия ( в нашем случае величина неизменная, зависящая от соотношения длины хода поршня и величины рабочей камеры), n – коэффициент политропности процесса ( в нашем случае не изменяющий значения ).
Из него мы можем получить среднее эффективное давление рабочего цикла:
pe= pi - pm
где pi – индикаторное давление рабочего цикла двигателя, прямо пропорциональное давлению при сжатии ( pi = Pc / ? - 1 ) , pm – давление механических потерь на преодоление сопротивления кривошипно – шатунного механизма, сил инерции, возникающих при работе двигателя и сопротивления внешних устройств (генератора, топливного насоса и т.д.), а так же потери при прорыве газов через неплотности газораспределительных клапанов и неплотность между стенками цилиндра и поршнем.
Эффективная мощность двигателя рассчитывается по формуле:
Nе = ре Vл n / 30? ,
Из нее мы видим, что мощность прямо пропорциональна среднему эффективному давлению рабочего цикла.
При дополнительном уплотнении зазора между стенками цилиндра и поршнем мы получаем увеличение заряда при впуске, соответственно получая более высокое давление при сжатии. Это дает нам более высокое среднее эффективное давление рабочего цикла, что приводит к увеличению мощности двигателя.
В автомобильном двигателе роль уплотнителя между стенками цилиндра и поршнем выполняют компрессионные поршневые кольца. В двигателе МеМЗ 968ГЭ их два – верхнее и нижнее. Поршневая группа обеспечивает такую степень сжатия, которая соответствует давлению компрессии в цилиндрах 9 кг./ см2 при объеме цилиндров 1198 см3 . Автомобильные двигатели ВАЗ, АЗЛК, имеющие близкие по значению объемы цилиндров (ВАЗ 2101 – 1200 см3), развивают давление компрессии в цилиндрах 12 кг./см2. Такая существенная разница получается за счет больших тепловых зазоров между поршнем и цилиндром в двигателе МеМЗ 968ГЭ из – за малоэффективного воздушного охлаждения.
При рассмотрении поршневой группы, снятой для ремонта, я обратил внимание на большое расстояние между донышком цилиндра и кольцевой канавкой для установки верхнего поршневого кольца ( рис. 1). Я предполагаю, что конструкторы двигателя увеличили это расстояние по сравнению с поршнями других двигателей с целью увеличения запаса прочности поршня при работе на низкооктановом бензине. При работе на таком топливе (А – 76) и небольшой мощности двигателя возникает опасность детонации, которая может разрушить перегородку между донышком поршня и канавкой поршневого кольца. Если использовать топлива с более высоким октановым числом (А – 80, АИ – 90), которых не было на момент разработки двигателя и они не могли быть учтены конструкторами, то мы можем исключить возможность возникновения детонации и использовать дополнительный запас прочности поршня.
Предложения по модернизации двигателя МеМЗ 968ГЭ
Для улучшения характеристик двигателя, повышения его мощности и уменьшения потребления топлива я предлагаю установить дополнительное компрессионное поршневое кольцо на поршне двигателя. Кольцо предлагаю разместить в кольцевой канавке, проточенной в поршне на расстоянии 3,95 мм. от донышка, шириной 1,8 мм. и глубиной 3,3 мм ( рис. 2 ). Ширина проточенной кольцевой канавки соответствует ширине канавки для установки верхнего компрессионного поршневого кольца. При этом толщина перегородки между донышком поршня и канавкой составит 3 мм., что соответствует толщине перегородок между кольцами.
Рисунок 1
МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ПОРШЕНЬ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ МеМЗ968ГЭ
Рисунок 2
Практическая установка дополнительного компрессионного поршневого кольца на двигателе МеМЗ 968ГЭ автомобиля ЗАЗ 968М позволила определить, что давление компрессии в цилиндрах увеличилось до 11 кг./см2 , мощность двигателя увеличилась с 40 л. с. до 45 л. с. Улучшились тяговые и динамические характеристики – время набора скорости до 100 км./ч. уменьшилось на 6 секунд или на 17% ( см. приложение № 1). Расход топлива уменьшился с 8,5 ( по паспорту ) до 7,74 литров на 100 км. или на 9% за счет более полного сгорания смеси ( см. приложение № 2).
Однако при установке дополнительного кольца мы увеличиваем площадь трущихся поверхностей, что увеличивает нагрев цилиндров и поршней. Так же вызывает нагрев и более высокое давление смеси в цилиндрах. При нагреве двигателя МеМЗ968ГЭ до температуры 1050С начинает теряться мощность и возникает необходимость более эффективного охлаждения. Проблему снятия теплоизбытков я предлагаю решить следующим способом - можно установить второй вентилятор на вал генератора. Из стального листа толщиной 1 мм надо вырезать круг диаметром 190 мм с отверстием в центре диаметром 16 мм. Разделив круг на 16 секторов, нужно сделать надрезы по радиусам на глубину 50 мм. Получившиеся лопасти следует изогнуть так же, как у основного вентилятора. С вала генератора надо отвернуть гайку, снять пружинную шайбу и установить на вал крыльчатку, надежно закрепив ее теми же шайбами и гайкой ( см. рис. 3 ). Дополнительный вентилятор увеличит количество подаваемого для охлаждения воздуха и позволить сделать более эффективным охлаждение. Рекомендую применять в модернизированном двигателе гильзы цилиндров с аллюминиевым оребрением, имеющем более высокую теплоотдачу, чем гильзы с чугунным оребрением.
Дополнительно рекомендую использование анамегатора масла и модификатора топлива киевской фирмы «Адиос». Выпускаемый этой фирмой анамегатор масла «Gold Ozerol МП – 8» модифицирует моторное масло так, что в двигателе вместо пар трения за счет поверхностно – активной пленки образуются пары качения, что значительно уменьшает трение и нагрев двигателя. При этом значительно увеличевается срок службы моторного масла. Уменьшение трения в кривошипно – шатунном механизме и механизме газораспределения позволит снизить давление механических потерь и увеличить мощность двигателя. Использование модификатора топлива «Adizol» так же позволяет получить поверхностно – активную пленку на стенках цилиндров, что уменьшает трение поршневых колец и нагрев. Практическое применение этих двух веществ на двигателе показало экономическую выгодность - при стоимости анамегатора масла 16 грн. 50 коп. срок службы масла увеличивается при первой заливке с 7000 км. до 15000 км., а при второй заливке – с 7000 км. до 30000 км., при стоимости модификатора топлива 4 копейки на литр топлива получается реальная экономия до 9% или около 11 копеек на литр топлива. Так же заметно уменьшается износ и нагрев компонентов двигателя.
Установка дополнительного кольца производилась на трех двигателях. Двигатель автомобиля ЗАЗ 968М выпуска 1985 года, эксплуатировавшийся в условиях Ялты с дополнительным поршневым кольцом, на момент выхода из строя шатуна имел пробег 73 000 километров при норме пробега до капитального ремонта 60 000 километров. Представляемый поршень был установлен на этом двигателе и мы можем убедиться в том, что его износ не превышает нормы, а перегородка между донышком поршня и канавкой дополнительного поршневого кольца не имеет следов прогара и разрушения.
Двигатель автомобиля ЗАЗ 968М выпуска 1990 года, эксплуатировавшийся в условиях Фороса с дополнительным поршневым кольцом, на момент выхода из строя направляющей впускного клапана механизма газораспределения имел пробег 45 000 километров. При обследовании снятой поршневой группы не было обнаружено каких – либо деформаций или неисправностей.
На двигателе автомобиля ЗАЗ968А выпуска 1980 года, эксплуатировавшегося в условиях Ялты с дополнительным поршневым кольцом после 55 000 километров пробега была произведена замена поршневых колец. Каких – либо следов разрушения или повышенного износа поршневой группы обнаружено не было.
Выводы
Установка дополнительного компрессионного поршневого кольца на двигателе МеМЗ 968ГЭ автомобиля ЗАЗ 968М позволила получить увеличение мощности двигателя на 12,5 % и уменьшение времени разгона с места до 100 км./час на 17% . Расход топлива при этом уменьшился на 9 %. Улучшились тяговые и разгонные характеристики автомобиля. Практическая эксплуатация модернизированной поршневой группы на двигателях трех автомобилей показала, что модернизация не приводит к снижению надежности шатунно – поршневой группы.
Приложение № 1
Определение тяговых характеристик двигателя МеМЗ968ГЭ.
Определение тяговых качеств производилось путем определения максимальной скорости автомобиля с двигателем, на котором была установлена модернизированная поршневая группа. Используемая методика рекомендуется заводом – изготовителем для определения тяговых характеристик двигателя и определения его мощности. Максимальная скорость определялась при движении на высшей передаче на мерном участке длиной 1 километр с хода. Замер производился после регулировки ходовой части, регулировки развала – схождения колес, регулировки токсичности выхлопа, предварительного разогрева двигателя до температуры +850С, сухом дорожном покрытии, температуре воздуха + 200С и отсутствии ветра, в автомобиле находились 2 человека. Время прохождения мерного участка фиксировалось путем включения секундомера при пересечении начальной отметки и отключения при пересечении конечной отметки. Замер производился за два заезда в обоих направлениях участка, оба замера производились непосредственно один за другим.
Скорость автомобиля определялась по формуле: V = 3600/T ( км. /час ), где
Т – время ( в секундах ) прохождения километрового мерного участка.2 За действительное значение максимальной скорости автомобиля было принято среднее арифметическое из величин скоростей, полученных в двух заездах.
T1 = 28 c. V1 = 3600/28 = 128,6 км./час.
T2 = 27,5 c. V2 = 3600/27,5 = 130,9 км./час.
V = (128,6+130,9)/2 = 129,75 км. /час.
Завод – изготовитель для определения мощности двигателя дает следующие контрольные цифры максимальной скорости в зависимости от мощности:
? Двигатель МеМЗ968Э мощностью 30 л.с. – 118 км./час.
? Двигатель МеМЗ968ГЭ мощностью 40 л.с. – 123 км./час.
? Двигатель МеМЗ968БЭ мощностью 45 л.с. – 130 км./час.
По результатам замера максимальной скорости можно сделать вывод, что мощность двигателя в результате установки дополнительного компрессионного кольца увеличилась с 40 л. с. до 45 л. с. и прирост мощности составил 12,5%.
Для полноты оценки тяговых качеств произвели замер времени разгона от нуля до 100 км./час с последовательным переключением передач при тех же условиях, что и замеры максимальной скорости. Автомобиль разгонялся с места на первой передаче энергичным нажатием на педаль акселератора. Трогание с места плавное. Переключение передач производилось быстро и бесшумно при наивыгоднейших режимах. Замеры производились в двух направлениях участка, непосредственно один за другим.
Т1= 30 сек. Т2 = 28 сек. Т = (30+28)/2 = 29 сек.
Завод – изготовитель дает следующие контрольную цифру времени разгона до 100 км./час: для автомобиля ЗАЗ968М с двигателем МеМЗ 968ГЭ – 35 сек.
Уменьшение времени разгона составило 6 сек. или на 17%.
Приложение № 2
Определение контрольного расхода топлива двигателем МеМЗ968ГЭ.
Эксплуатационный расход бензина является одним из параметров, характеризующих общее техническое состояние двигателя. Величина эксплуатационного расхода бензина в большей степени зависит от дорожных и климатических условий, режима движения (скорость, нагрузка, дальность и частота поездок) и совершенства вождения автомобиля (квалификации водителя). В связи с этим нельзя с достаточной объективностью судить о техническом состоянии автомобиля по эксплуатационному расходу бензина, тем более по нему нельзя судить о техническом состоянии двигателя (так как на расход бензина существенно влияет состояние ходовой части автомобиля).
Объективным показателем технического состояния двигателя служит контрольный расход бензина.
Замер контрольного расхода заключается в определении расхода бензина (л/100 км) при скорости автомобиля 80 км/ч с технически исправной ходовой частью при соблюдении условий испытания, изложенных в приложении № 1.
Измерение выполнялся на участке дороги длиной 5 км, с постоянной скоростью, в двух противоположных направлениях движения по 2 раза в каждом направлении. При этом бензин в карбюратор подавался из специальных мерных колб. Замеры производились лишь после того, как полностью установился нормальный тепловой режим двигателя. Завод – изготовитель дает контрольную цифру контрольного расхода бензина для технически исправного автомобиля ЗАЗ968М с двигателем МеМЗ968ГЭ – 8,5 литров/ 100 км.
Мерным участком служил 5 – километровый отрезок дороги Бахчисарай - Симферополь с ровным профилем, сухим покрытием.
При проведении контрольных замеров были получены следующие результаты:
V1 = 385 гр./5 км.
V2 = 388 гр./5 км.
V3 = 385 гр./5 км.
V4 = 390 гр./5 км.
Средний арифметический контрольный расход на 5 километров после четырех замеров составил:
Vзам = (V1+V2+V3+V4)/4 = (0,385+0,388+0,385+0,390)/4 = 0,387 л. / 5 км.
Контрольный расход топлива на 100 километров составил:
Vконтр. = Vзам. * 20 = 0,387 * 20 = 7,74 л./100 км.
Из результатов замера контрольного расхода топлива следует, что после установки дополнительного компрессионного кольца на поршневой группе расход уменьшился на V пасп. - Vконтр = 8,5 – 7,74 = 0,76 л./100 км. или на 9%.
