Воздушное охлаждение – дело не простое
Совершенствование охлаждения двигателей семейства НАМИ-030
Во исполнение этого задания были начаты конструкторские и экспериментальные работы по разработке двигателей семейства НАМИ-030, унифицированных по основным деталям. Предполагалось создать опытные образцы 2-, 4-, 6- и 8-цилиндровых двигателей. С целью разработки конструкций двигателей в конструкторском бюро бензиновых двигателей НАМИ была создана специальная лаборатория с моторными установками и соответствующим аппаратурным оборудованием.
Двигатели семейства НАМИ-030 имели раздельные цилиндры, изготовленные из алюминиевого сплава, с гильзами из серого чугуна. Ребра охлаждения цилиндров механически обрабатывались. Отдельные головки цилиндров также изготавливали из алюминиевого сплава. Вставные седла клапанов выполнялись из легированного чугуна. Из алюминиевого сплава отливали картер двигателя и поршни. Поршни снабжались тремя компрессионными и двумя маслосъемными кольцами. Верхнее кольцо покрывалось пористым хромом. Плавающие поршневые пальцы удерживались стопорными кольцами. Привод клапанов осуществлялся толкателями, штангами и коромыслами. Коленчатый вал был стальной, с закаленными током высокой частоты шейками. Диаметр цилиндров равнялся 85 мм, ход поршня 73 мм. Развал цилиндров 90°.
На первом этапе работ велось проектирование двух двигателей с рабочим объемом 1656 и 2484 cм3, имеющих 4 (НАМИ-030-4) и 6 (НАМИ-030-6) цилиндров соответственно. Эти двигатели разработали в 1956 г. В 1957 г. были разработаны чертежи 2- и 8-цилиндровых двигателей рабочим объемом 828 и 3312 cм3 соответственно. Мотор V-8 предназначался для установки вместо двигателя ГАЗ-51 на автомобиль ГАЗ-63 и гусеничный транспортер ГАЗ-47.
В 1957 г. проводились испытания опытных образцов 4- и 6-цилиндровых двигателей, направленные на доводку и усовершенствование различных агрегатов и деталей двигателей. Четырехцилиндровый двигатель подвергся длительным 500-часовым испытаниям на стенде. Испытания показали достаточную надежность и стойкость кривошипно-шатунного механизма, системы охлаждения и смазки. Изменение мощностных и экономических показателей за период испытания оказалось в допустимых пределах, а износы основных трущихся деталей были умеренными. Вместе с тем испытания выявили ряд дефектов: выход из строя выпускных клапанов, выпрессовывание и повышенный износ седел выпускных клапанов, разрушение контактов магнето и выход из строя запальных свечей. В связи с выявленными дефектами были разработаны рекомендации по улучшению конструкции узла клапан–седло и направляющей втулки клапана.
Исследования системы охлаждения
В 1957 г. провели первый этап работ по исследованию системы охлаждения опытных образцов 4- и 6-цилиндровых двигателей. В результате была выбрана схема охлаждения двигателя с двумя осевыми вентиляторами нагнетающего типа, работающими независимо друг от друга. Было установлено, что при выбранной конструктивной схеме для относительно равномерного охлаждения необходимы вентиляторы различной производительности. Снятие аэродинамических характеристик первоначально установленных одинаковых вентиляторов совместно с подробным термометрированием двигателя позволило получить отправные параметры. По этим параметрам ЦАГИ рассчитал, а КБ бензиновых двигателей НАМИ спроектировал два вентилятора, отличающихся числом и профилем лопаток на рабочих колесах.
На стенде при температуре окружающего воздуха, равной 27–30 °С, максимальная температура головок достигала 270 °С, а цилиндров 180 °С. В условиях дорожных испытаний двигателя на шасси автомобилей ГАЗ-69А и М-20 эти температуры снизились до 230 °С и 170 °С соответственно. Расход мощности на привод вентиляторов охлаждения составлял 7,3% эффективной мощности двигателя.
В 1958 г. три опытных образца 6-цилиндрового двигателя были предъявлены к сдаче заказчику. Приемо-сдаточные стендовые испытания проводились совместно с представителем заказчика. Испытания показали, что двигатели отвечают тактико-техническим требованиям, и были приняты заказчиком. После получения двигателей заказчик установил один из них на спецобъект для проведения предварительных дорожных испытаний, другой – в НАМИ на шасси автомобиля ГАЗ-69А.
Перед краткими испытаниями на шасси автомобиля ГАЗ-69А двигатель НАМИ-030-6 был оборудован датчиками для замера температуры и давления смазочного масла, приборами измерения расхода топлива, записи пройденного пути, времени и скорости автомобиля, термопарами для замера температур подветренных сторон головок, цилиндров и прокладок под свечами. В качестве топлива и смазочного масла применялись бензин А-74 и масло СУ.
Установка двигателя НАМИ-030-6 на шасси автомобиля ГАЗ-69А вместо двигателя М-20 привела к снижению массы автомобиля на 60 кг. При этом за счет уменьшения нагрузки на переднюю ось и отсутствия радиатора появилась возможность разместить спереди лебедку без существенной перегрузки передней оси автомобиля.
Динамические испытания автомобиля проводились на мерном участке Ленинградского шоссе (125 км) в сухую, безветренную погоду при температуре окружающего воздуха +1518 °С. Максимальная скорость автомобиля с нагрузкой 5 человек, укомплектованного двигателем М-20, составила 91,1 км/ч, двигателем НАМИ – 104,5 км/ч, то есть увеличилась на 15%. Время разгона автомобиля при трогании с места и минимальная устойчивая скорость на передачах стали меньше на 30–40%.
Испытания были преждевременно прекращены вследствие обрыва выпускного клапана в первом цилиндре, в результате чего оказались разбитыми головка, поршень и картер; на шейке коленчатого вала образовались задиры и был выявлен прогиб коленчатого вала. Общий пробег автомобиля превысил 50 тыс. км. Как было установлено металлографическим анализом оборванного клапана, причиной аварии явилось изготовление клапана на «Заводе опытных конструкций» (ЗОК) вместо стали ЭИ-69 из стали СХ-8, имеющей более низкую жаропрочность.
В 1958 г. работы по двигателю НАМИ-030-6 сводились к исследованию и доводке системы охлаждения. Работы проводились при установке на двигатель двух карбюраторов К-44 с регулировкой, подобранной в процессе стендовых доводочных работ. Максимальная мощность двигателя составила 77 л.с. при 4000 об/мин.
Цель дальнейшей работы по улучшению системы охлаждения двигателей состояла в уменьшении мощности, расходуемой на охлаждение, и снижении неравномерности распределения температур в стенках цилиндров и главным образом в головках. Чехословацким «Институтом испытаний моторных машин» был спроектирован одиночный осевой вентилятор, воздушный поток от которого регулировался дефлекторами. Чертежи вентилятора были переданы на ЗОК НАМИ для изготовления. Аэродинамические характеристики вентиляторов, снятые на безмоторной установке, существенно отличались от характеристик, полученных непосредственно на двигателе, но сближались по мере поднятия вентиляторов относительно первоначально заложенного в конструкции положения. Поднятие вентиляторов на 150 мм приводило к совпадению характеристик.
В мае-июне 1958 г. ЗОК изготовил три опытных образца 2-цилиндрового двигателя. Двигатель НАМИ-030-2 выполнялся рядным с углом наклона осей цилиндров к вертикали 35°. Рядный двигатель, по соображениям компоновки на малолитражном автомобиле, считался предпочтительнее. Этот двигатель был задуман на основе изучения конструкции двигателя Fiat 500. Преимуществом рядного двигателя перед оппозитным являлись технологическая простота и дешевизна, а недостатком – плохая уравновешенность. Двигатель размерностью 85х66 мм развивал мощность 21 л.с. при 4000 об/мин. Коленчатый вал двухцилиндрового двигателя отливали из высокопрочного чугуна. Принудительное охлаждение двигателя осуществлялось посредством осевого вентилятора всасывающего типа, тогда как на других двигателях семейства устанавливались осевые вентиляторы нагнетающего типа. Вентилятор приводился от шкива коленчатого вала клиновым ремнем. Сам вентилятор был изготовлен по чертежам вентилятора двигателя Татра-603.
Одновременно с работами по 2-цилиндровому двигателю проводились подробные стендовые испытания двигателя Фиат-500, близкого по конструктивной схеме. Основные стендовые работы по двигателю НАМИ-30-2 также относились к исследованию и доводке системы охлаждения. На созданной установке проведено тепловое исследование двигателя НАМИ-030-2, определялись механические потери при различной температуре. При стендовых испытаниях температура головок достигала 310 °С, цилиндров в верхнем поясе – 220–230 °С, температура масла: 95–98 °С. После принятых мер температуру головок удалось снизить до 235 °С, цилиндров – до 170 °С, масла – до 85–88 °С, но затрачиваемая на охлаждение мощность увеличилась на 58% и составила 15% от эффективной мощности двигателя. Обычно для двигателей данного класса мощность на охлаждение не превышала 3–8%, за исключением двигателя Фиат-500, в котором эта мощность составляла ~13%.
Двигатель НАМИ-030-2 предназначался для установки на автомобиль МЗМА-444. В связи с этим для проведения предварительных испытаний было выбрано шасси автомобиля Фиат-600, близкого к МЗМА-444. Один из двигателей НАМИ-30-2 установили на шасси автомобиля Фиат-600 для проведения доводочных работ в дорожных условиях. Из-за отсутствия специального карбюратора использовался карбюратор с двигателя Дина-Панар. Итальянский автомобиль прошел с двигателем НАМИ-030-2 25 тыс. км, показав хорошую динамику и надежность.
В августе 1958 г. заказчик установил 4-цилиндровый двигатель НАМИ-30-4 на спецобъект и провел его испытания в условиях повышенной запыленности при температуре окружающего воздуха +4050 °С. В конце года ЗОК изготовил первый 8-цилиндровый двигатель. Образец 8-цилиндрового двигателя НАМИ-030-8 установили на гусеничный транспортер ГАЗ-47. Двигатель успешно прошел специальные зимние испытания, существенной частью которых являлась отработка пусковых качеств при низких температурах окружающего воздуха. Как и в случае ГАЗ-69А с НАМИ-030-6, из-за большей мощности двигателя существенно улучшились проходимость и тяговые качества вездехода ГАЗ-47, особенно при движении в глубоком снегу.
Однако работы по двигателям семейства НАМИ-030 не получили развития, для микроавтомобиля было предложено использовать 4-цилиндровый двигатель.
