МАЛАЯ АКАДЕМИЯ НАУК КРЫМА
«ИСКАТЕЛЬ»
Инженерно – техническая секция
Модернизация автомобильного двигателя МеМЗ 968ГЭ для увеличения мощности, улучшения
тяговых характеристик и повышения экономичности. Действительныйчлен МАН Крыма «Искатель»Ученик 9 класса
Форосскойобщеобразовательной школы I– IIIступени г. ЯлтыКОРАБЛЕВ Артем
Научный руководитель – Кораблев А. Б.Инженер — системотехник
Введение.
В течении многихдесятилетий отечественным производителем, Запорожским автомобильным заводом,выпускался в различных модификациях автомобиль «Запорожец». За долгое времянакопился большой парк этих автомобилей и особенно модели ЗАЗ 968 и егомодификаций. Машина показала себя неприхотливой, обладающей высокойпроходимостью и неплохой нагрузочной способностью. Много автомобилей ЗАЗявляются незаменимыми помощниками в условиях села и города, сочетая в себенизкую стоимость и простоту в обслуживании.
Однако при наличии многих положительныхкачеств автомобиль ЗАЗ 968 имеет ряд конструктивных особенностей, которые можноназвать его недостатками. Одним из самых важных недостатков является малаямощность силового агрегата – двигателя МеМЗ 968ГЭ. Малая мощность сочетается свысоким расходом топлива, реально достигающим 10 литров на 100 километров.
В нашей семье до недавнего времени былавтомобиль ЗАЗ 968М и во время проведения ремонта я решил внимательно изучитьдвигатель и попытаться внести такие изменения в его конструкцию, которые быпозволили увеличить мощность содновременным снижением расхода топлива.Недостатки двигателя МеМЗ 968ГЭ и
возможныепути их устранения.
Любые попытки внестиизменения в топливную систему с целью экономии топлива приводили кположительному результату только вместе со снижением динамических характеристикавтомобиля. Однако в наших условиях горной местности уменьшение мощности вцелях экономии топлива приводит к другому затруднению – перегреву на затяжныхподъемах. Воздушное охлаждение не позволяет эффективно охлаждать цилиндры двигателя при работе с очень высокиминагрузками. Требовалось вносить изменения в конструкцию двигателя, что сталовозможным при его капитальном ремонте.
Внимательно изучив принципы работыдвигателей внутреннего сгорания, я понял, что мощность двигателя можно повыситьнесколькими путями:
- увеличением объема цилиндров и количестваподаваемого топлива;
- увеличением длины хода поршня исоответствующим увеличением степени сжатия топливно – воздушной смеси вцилиндрах;
- увеличением давления сжатия топливно – воздушной смеси в цилиндрах каким– либо другим способом.
Первый вариант мной не рассматривался, так так он приводит к ещебольшему расходу топлива.
Второй вариант оказался трудновыполнимым, так как требует изменения конструкции коленчатого вала и удлиненияшатунов. Такую работу возможно сделатьтолько в заводских условиях и потому я не разрабатывал этот вариант.
Разрабатывая третий вариант, я пришел к выводу, что увеличитьдавление сжатия рабочей смеси в цилиндрах можно двумя способами – уменьшить присжатии утечку смеси, а при рабочем ходе уменьшить прорыв выхлопных газов вкартер двигателя между корпусом цилиндраи корпусом поршня (первый способ), или принудительно нагнетать воздух вцилиндры для создания давления в них еще на стадии впуска (второй способ).
Второй способ достаточно труден в реализации и требует тщательнойразработки. В настоящее время я веду разработку конструкции нагнетателя воздухас ременным приводом, однако более простым, хотя и менее эффективным, являетсяпервый способ. Рассмотрим, что нам даст уплотнение зазора между поршнем истенками цилиндра при работе четырехтактного карбюраторного двигателя, какимявляется двигатель МеМЗ968ГЭ.
При проектировании и расчете двигателя внутреннего сгораниявеличина давления в цилиндре при сжатии рабочей смеси (так называемаякомпрессия ) имеет важнейшее значение и оказывает прямое влияние на эффективнуюмощность двигателя.
Начнем с цикла впуска. Формула расчета давления в конце циклавпуска имеет вид:
Ра = Р0 — DРа
где Р0– плотностьзаряда (давление в цилиндре) на впуске, DРа — потери воздуха из –за сопротивления впускных каналов и неплотности зазора между поршнем ицилиндром. Здесь мы видим, что уплотнение зазора уменьшает потери при впуске засчет увеличения разрежения в цилиндре при впуске.
Соответственномы получаем давление в конце сжатия в соответствии с формулой:
Рс = Ра ×en ,
где Ра — давлениев конце цикла впуска, e — степень сжатия ( в нашем случае величина неизменная, зависящая отсоотношения 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 рабочегоцикла:
pe= pi — pm
гдеpi– индикаторное давление рабочего цикладвигателя, прямо пропорциональное давлению при сжатии ( pi= Pc/ e — 1 ) ,pm– давление механических потерь на преодоление сопротивления кривошипно –шатунного механизма, сил инерции, возникающих при работе двигателя исопротивления внешних устройств (генератора, топливного насоса и т.д.), а также потери при прорыве газов через неплотности газораспределительных клапанов инеплотность между стенками цилиндра и поршнем.
Эффективная мощность двигателярассчитывается по формуле:
Nе = ре Vл n / 30t,
Из нее мы видим, что мощность прямопропорциональна среднему эффективному давлению рабочего цикла.
Придополнительном уплотнении зазора между стенками цилиндра и поршнем мы получаемувеличение заряда при впуске, соответственно получая более высокое давление присжатии. Это дает нам более высокое среднее эффективное давление рабочего цикла,что приводит к увеличению мощности двигателя.
В автомобильном двигателе рольуплотнителя между стенками цилиндра и поршнем выполняют компрессионныепоршневые кольца. В двигателе МеМЗ 968ГЭ их два – верхнее и нижнее. Поршневаягруппа обеспечивает такую степень сжатия, которая соответствует давлениюкомпрессии в цилиндрах 9 кг./ см2 при объеме цилиндров 1198 см3. Автомобильные двигатели ВАЗ,АЗЛК, имеющие близкие по значению объемы цилиндров (ВАЗ 2101 – 1200см3), развивают давление компрессии в цилиндрах 12 кг./см2.Такая существенная разница получается за счет больших тепловых зазоров междупоршнем и цилиндром в двигателе МеМЗ 968ГЭ из – за малоэффективного воздушногоохлаждения.
При рассмотрении поршневой группы,снятой для ремонта, я обратил внимание на большое расстояние между донышкомцилиндра и кольцевой канавкой дляустановки верхнего поршневого кольца ( рис. 1). Я предполагаю,
1,8 что конструкторы двигателя увеличили эторасстояние по
7,5 сравнению с поршнями других двигателей с цельюувеличения
2,2
79,7 запаса прочности поршня при
Æ22,2 работе на низкооктановом бензине. При работе натаком топливе (А – 76) и небольшой
Рисунок 1 мощности двигателя возникает опасность детонации,которая может разрушить перегородку между донышком поршня и канавкой поршневого кольца. Еслииспользовать топлива с более высоким октановым числом (А – 80, АИ – 90),которых не было на момент разработки двигателя и они не могли быть учтеныконструкторами, то мы можем исключить возможность возникновения детонации и использоватьдополнительный запас прочности поршня.
Предложенияпо модернизации двигателя МеМЗ 968ГЭ.
Рисунок 2 Дляулучшения характеристик двигателя, повышения его мощности и уменьшенияпотребления топлива я предлагаю установить дополнительное компрессионное поршневоекольцо 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 ). Ширинапроточенной кольцевой канавки соответствует ширине канавки для установкиверхнего компрессионного поршневого кольца. При этом толщина перегородки между
Æ75,9
Æ22,2
Æ26,8
79,7
7,9
3
3
4,2
2,2
1,8
3,3
8
16
53
74
5,7
Æ66,9
57,6
ОСНОВНЫЕ РАЗМЕРЫ ПОРШНЯ
АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
МеМЗ968ГЭ
Рисунок 1.
1,8
3
МОДЕРНИЗИРОВАННЫЙ ПОРШЕНЬ
АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
МеМЗ968ГЭ
Рисунок 2.
донышкомпоршня и канавкой составит 3 мм., что соответствует толщине перегородок междукольцами.
Практическая установка дополнительногокомпрессионного поршневого кольца на двигателе МеМЗ 968ГЭ автомобиля ЗАЗ 968Мпозволила определить, что давление компрессии в цилиндрах увеличилось до 11кг./см2, мощность двигателя увеличилась с 40 л. с. до 45 л. с. Улучшились тяговые и динамическиехарактеристики – время набора скорости до 100 км./ч. уменьшилось на 6секунд 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 счетболее полного сгорания смеси ( см. приложение № 2).
Однако при установке дополнительногокольца мы увеличиваем площадь трущихся поверхностей, что увеличивает нагревцилиндров и поршней. Так же вызывает нагрев и более высокое давление смеси вцилиндрах. При нагреве двигателя МеМЗ968ГЭ до температуры 1050Сначинает теряться мощность и возникает необходимость более эффективногоохлаждения. Проблему снятия теплоизбытков я предлагаю решить следующим способом-можноустановить второй вентилятор на вал генератора. Из стального листа толщиной 1мм 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 50мм. Получившиеся лопасти следует изогнуть так же, как у основного вентилятора.С вала генератора надо отвернуть гайку, снять пружинную шайбу и установить навал крыльчатку, надежно закрепив ее теми же шайбами и гайкой ( см. рис. 3 ). Дополнительныйвентилятор увеличит количество подаваемого для охлаждения воздуха и позволитьсделать более эффективным охлаждение. Рекомендую применять в модернизированномдвигателе гильзы цилиндров с аллюминиевым оребрением, имеющем более высокуютеплоотдачу, чем гильзы с чугунным оребрением.
Дополнительно рекомендую использованиеанамегатора масла и модификатора топлива киевской фирмы «Адиос». Выпускаемыйэтой фирмой анамегатор масла «Gold Ozerol МП – 8» модифицирует моторное маслотак, что в двигателе вместо пар трения за счет поверхностно – активной пленкиобразуются
Æ16
Æ190
50
Рисунок 3.
1
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ ВЕНТИЛЯТОР
СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ МеМЗ968ГЭ
пары качения, что значительно уменьшает трение и нагрев двигателя. При этомзначительно увеличевается срок службы моторного масла. Уменьшение трения вкривошипно – шатунном механизме и механизме газораспределения позволит снизитьдавление механических потерь и увеличить мощность двигателя. Использованиемодификатора топлива «Adizol»так же позволяет получить поверхностно – активную пленку на стенках цилиндров,что уменьшает трение поршневых колец и нагрев. Практическое применение этихдвух веществ на двигателе показало экономическую выгодность — при стоимостианамегатора масла 16 грн. 50 коп. срок службы масла увеличивается при первойзаливкес 7000 км. до 15000 км., а при второй заливке –с 7000 км. до 30000 км., при стоимости модификатора топлива 4 копейки на литртоплива 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 условияхЯлты с дополнительным поршневым кольцом, на момент выхода из строя шатуна имелпробег 73 000 километров при норме пробега до капитального ремонта 60 000километров. Представляемый поршень был установлен на этом двигателе и мы можемубедиться в том, что его износ не превышает нормы, а перегородка между донышкомпоршня и канавкой дополнительного поршневого кольца не имеет следов прогара иразрушения.
Двигатель автомобиля ЗАЗ 968М выпуска 1990 года,эксплуатировавшийся в условиях Фороса с дополнительным поршневым кольцом, намомент выхода из строя направляющей впускного клапана механизмагазораспределения имел пробег 45 000километров. 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 после55 000 километров пробега была произведена замена поршневых колец. Каких –либо следов разрушения или повышенного износа поршневой группы обнаружено небыло.
Выводы.
Установка дополнительного компрессионного поршневогокольца на двигателе МеМЗ 968ГЭ автомобиля ЗАЗ 968М позволила получитьувеличение мощности двигателя на 12,5 % и уменьшение времени разгона с места до100 км./час на 17%. Расход топлива при этом уменьшился на 9 %. Улучшилисьтяговые и разгонные характеристики автомобиля. Практическая эксплуатациямодернизированной поршневой группы на двигателях трех автомобилей показала, чтомодернизация не приводит к снижению надежности шатунно – поршневой группы.
Приложение № 1
Определение тяговых характеристикдвигателя МеМЗ968ГЭ.
Определение тяговых качеств производилосьпутем определения максимальной скорости автомобиля с двигателем, на которомбыла установлена модернизированная поршневая группа. Используемая методикарекомендуется заводом – изготовителем для определения тяговых характеристикдвигателя и определения его мощности. Максимальная скорость определялась придвижении на высшей передаче на мерном участке длиной 1 километр с хода. Замерпроизводился после регулировки ходовой части, регулировки развала – схожденияколес, регулировки токсичности выхлопа, предварительного разогрева двигателя дотемпературы +850С, сухом дорожном покрытии, температуре воздуха + 200Си отсутствии ветра, в автомобиле находились 2 человека. Время прохождениямерного участка фиксировалось путем включения секундомера при пересеченииначальной отметки и отключения при пересечении конечной отметки. Замерпроизводился за два заезда в обоихнаправлениях 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 действительноезначение максимальной скорости автомобиля было принято среднее арифметическоеиз 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 мощностидвигателя дает следующие контрольные цифры максимальной скорости в зависимостиот мощности:
· Двигатель МеМЗ968Э мощностью 30 л.с. – 118 км./час.
· Двигатель МеМЗ968ГЭ мощностью 40 л.с. – 123 км./час.
· Двигатель МеМЗ968БЭ мощностью 45л.с. – 130 км./час.
По результатам замера максимальной скоростиможно сделать вывод, что мощность двигателя в результате установкидополнительного компрессионного кольца увеличилась с 40 л. с. до 45 л. с. иприрост мощности составил 12,5%.
Для полноты оценки тяговых качеств произвели замервремени разгона от нуля до 100 км./час с последовательным переключением передачпри тех же условиях, что и замеры максимальной скорости. Автомобиль разгонялсяс места на первой передаче энергичным нажатием на педаль акселератора. Троганиес места плавное. Переключение передач производилось быстро и бесшумно при наивыгоднейших режимах.Замеры производились в двух направлениях участка, непосредственно один задругим.
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 МеМЗ968ГЭ – 35 сек.
Уменьшениевремени разгона составило 6 сек. или на 17%.
Приложение № 2
Определение контрольного расходатоплива двигателем МеМЗ968ГЭ.
Эксплуатационный расход бензина является одним из параметров, характеризующих общее техническое состояние двигателя.Величина эксплуатационного расхода бензина в большей степени зависит отдорожных и климатических условий, режима движения (скорость, нагрузка,дальность и частота поездок) и совершенства вождения автомобиля (квалификацииводителя). В связи с этим нельзя с достаточной объективностью судить отехническом состоянии автомобиля по эксплуатационному расходу бензина, темболее по нему нельзя судить о техническом состоянии двигателя (так как нарасход бензина существенно влияет состояние ходовой части автомобиля).
Объективным показателем техническогосостояния двигателя служит контрольный расход бензина.
Замерконтрольного расхода заключается в определении расхода бензина (л/100 км) прискорости автомобиля 80 км/ч с технически исправной ходовой частью присоблюдении условий испытания, изложенных в приложении № 1.
Измерениевыполнялся на участке дороги длиной 5 км, с постоянной скоростью, в двухпротивоположных направлениях движения по 2 раза в каждом направлении. При этомбензин в карбюратор подавался из специальных мерных колб. Замеры производилисьлишь после того, как полностью установился нормальный тепловой режим двигателя.Завод – изготовитель дает контрольную цифру контрольного расхода бензина длятехнически исправного автомобиля ЗАЗ968М с двигателем МеМЗ968ГЭ – 8,5 литров/100 км.
Мернымучастком служил 5 – километровый отрезок дороги Бахчисарай — Симферополь с ровным профилем, сухимпокрытием.
При проведении контрольных замеров былиполучены следующие результаты:
V1= 385 гр./5 км.
V2= 388 гр./5 км.
V3= 385 гр./5 км.
V4= 390 гр./5 км.
Среднийарифметический контрольный расход на 5 километров после четырех замеровсоставил:
Vзам= (V1+V2+V3+V4)/4= (0,385+0,388+0,385+0,390)/4 = 0,387 л. / 5 км.
Контрольный расход топлива на 100километров составил:
Vконтр.= Vзам. * 20 = 0,387 * 20 = 7,74 л./100 км.
Из результатовзамера контрольного расхода топлива следует, что после установкидополнительного компрессионного кольца на поршневой группе расход уменьшилсяна Vпасп. — Vконтр=8,5 – 7,74 = 0,76 л./100 км. или на 9%.
Список используемойлитературы.
1.
эксплуатации»,Запорожье, 1995 г.
2.
ремонту»,Киев, Проминь, 1971 г.
3.
Киев, 2001 г.
4. Колчин А. И. Демидов В. П. «Расчет автомобильных итракторных
двигателей».Москва, Высшая школа, 1980г.
5. Артамонов М.Д., Морин М.М., Скворцов Г.А.«Основы теории и конструированияавтотракторных двигателей. Конструирование и расчет автомобильных итракторных двигателей». Москва, Высшаяшкола, 1978
6. «Двигатели внутреннего сгорания.Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей». /Под общ. ред. Орлина А.С., Круглова М.Г. –Москва, Машиностроение, 1990
Содержание.
1. 2. Недостаткидвигателя МеМЗ 968 и возможные пути ихустранения…………………………………………………..2
3.
4.
5.
· Приложение № 1 ( замер тяговых характеристик) ………………12
· Приложение № 2 ( замер потребления топлива) ………………...13
6.