Заволжский "турбо"

ТЕХНИКА

/ИЗ ПЕРВОИСТОЧНИКА

ЗАВОЛЖСКИЙ "ТУРБО"

ДВИГАТЕЛЬ ЗМЗ-5143.10 - ПЕРВЕНЕЦ ДИЗЕЛЬНОГО СЕМЕЙСТВА

ТЕКСТ / НИКОЛАЙ ШИШКИН,

НАЧАЛЬНИК КБ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ЗМЗ

ПРЕДЫСТОРИЯ

Дизели ныне на равных соперничают с бензиновыми моторами, не уступая им в быстроходности, удельных энергетических показателях при лучшей экономичности. Такая ситуация сложилась относительно недавно: одним из первых сломал "тракторно-грузовой" стереотип двигатель "Штайр-М1", ставший, как известно, прототипом для нижегородских дизелей.

Вдохновленные примером австрийских двигателистов, многие фирмы взялись за разработку дизелей нового поколения. Рынок подсказывал: такие моторы будут востребованы! Имея в заделе самостоятельно разработанный бензиновый "406-й", в Заволжье решили, с учетом зарубежного опыта, конвертировать его в дизель.

Проектировать двигатель с воспламенением от сжатия мы начали в 1993 году в образованном специально для этого КБ. Нашей целью было сделать дизель, который по шуму, габаритам и оборотам соответствовал бы уровню современных бензиновых агрегатов и мог бы заменить их (или дополнить) в легких грузовиках, вседорожниках, легковых автомобилях. Общие черты конструкции определили, исходя в том числе из требований экологии: непосредственный двухстадийный впрыск, головка из легкого сплава с четырьмя клапанами на цилиндр и центральным расположением форсунок, турбонаддув, рециркуляция отработавших газов.

Эскизный проект мотора, максимально унифицированного с бензиновым ЗМЗ-406, рецензировали фирмы AVL (Австрия) и "Рикардо" (Великобритания), на чьи исследования опираются многие моторостроители. "Рикардо" согласилась помогать и в доводке агрегата. Опытный мотор ЗМЗ-406Д появился в 1996-м; а через пять лет начали мелкосерийное производство ЗМЗ-5143.10, который за это время далеко ушел от прародителя...

КОНСТРУКЦИЯ

При проектировании, пожалуй, больше всего "досталось" головке блока цилиндров. Поначалу, на двигателе 406Д, клапаны располагались V-образно, как в бензиновом варианте, с углом между ними 35°. В головке появился третий кулачковый вал с приводом от одного из распредвалов. Он воздействовал на насосные секции, взятые из экспериментального рядного ТНВД (его использовали на опытном 2,5-литровом дизеле для брянской полуторки, так и не состоявшемся), откуда топливо поступало в форсунки.

Из-за V-образного расположения клапанов часть камеры сгорания пришлось разместить в головке блока.

Позже на моторе опробовали омские "электронные" насос-форсунки, которые позволили развить большее давление впрыска и выполнить всю конструкцию компактной. Увы, недостатки перевесили: из-за инерционности первых электромагнитных клапанов двигатель не набирал больше 2500 об/мин; к тому же требовалось немалое усилие для создания необходимого давления впрыска, которое передавалось на алюминиевую головку, значительно деформируя ее.

Насос-форсунки стали дополнительной нагрузкой и на цепи распредвалов - те вытягивались, нарушая точность впрыска. Построив несколько образцов ЗМЗ-406Д, мы убедились, что конструкцию надо корректировать; такие же рекомендации дали специалисты "Рикардо".

Первое и самое главное: камеру сгорания перенесли в поршень, а клапаны расположили вертикально. В прежней конструкции с большими "паразитными" объемами удавалось достичь заданной "экологии" (нормы Евро II) лишь ценой сверхвысокого давления впрыска... но развить 1,5-2 тыс. бар доступная топливная аппаратура пока не способна. Понадобилось также разделить приводы ТНВД и газораспределительного механизма, поработать с топливной аппаратурой... Сегодня конструкция такова.

Головка цилиндров выполнена из алюминиевого сплава. Вертикальные клапаны приводятся от двух распредвалов через одноплечие рычаги с роликами на игольчатых подшипниках. Клапанный механизм не нуждается в регулировках благодаря немецким гидроопорам INA. Сухари клапанов тоже импортные, фирмы ТRW, - отечественная промышленность не выпускает детали такой размерности.

Привод распределительных валов - цепной, двухступенчатый, подобный ЗМЗ-406. Однако длина цепей иная, а для натяжения взамен пластмассовых рычагов применили звездочку, которая в порядке обратной унификации опробована на бензиновых моторах. Натяжители цепи - гидравлические.

Блок цилиндров из специального чугуна. Отливка унифицирована с блоком бензинового ЗМЗ-406. Диаметр цилиндра - 87 мм, ход поршня - 94 мм (у бензинового "406-го" мотора - 92х86 мм). В картере блока располагаются специальные форсунки, через которые масло, поступающее из центральной магистрали, охлаждает поршни.

Коленчатый вал - оригинальный, кованый стальной с радиусом кривошипа 47 мм - поковку изготавливает КамАЗ. Вал упрочнен закалкой токами высокой частоты или азотированием наружной поверхности.

Шатун тоже делает КамАЗ. Чтобы сохранить высоту "406-го" блока (требование технологии), шатун укоротили. Вместо сталебронзовой втулки мы применили износостойкое покрытие рабочей поверхности верхней головки, снизив массу и себестоимость детали.

Поршень с камерой сгорания в днище выполнен из алюминиевого сплава с нирезистовой вставкой под компрессионное кольцо; юбка обработана антифрикционным составом "Моликот". Поршневые кольца - фирмы "Гётце". Наряду с поршнями собственного производства планируется применять изделия фирмы "Мале".

Топливную аппаратуру после всех экспериментов с отечественными опытными конструкциями выбрали все же "бошевскую". Нормы Евро II удалось выполнить на ТНВД с механическим регулятором! Это сразу снизило стоимость мотора. Впрочем, до того на образцах побывали "электронные" насосы "Лукас".

Специально для ЗМЗ-514 "Бош" доработал свой распределительный насос типа VE, который теперь развивает максимальное давление 1100 бар и имеет корректоры по наддуву и для прогрева двигателя зимой. ТНВД приводится от коленвала зубчатым ремнем типа VAZ 2112, закрытым защитным кожухом.

Форсунки фирмы "Бош" - двухпружинные, позволяют осуществить предварительный впрыск топлива, уменьшив тем самым шум процесса сгорания. Фильтр тонкой очистки топлива с ручным насосом, подогревателем, сепаратором воды - "бошевский", топливопроводы высокого давления - фирмы "Гуидо".

Турбокомпрессор - чешский, завода "ЧЗ-Страконице АС", также адаптирован "Гаррет", у которого выше КПД.

Оборудование. Кроме перечисленных импортных узлов и деталей, мы закупаем за рубежом свечи накаливания "Бош", генератор с вакуумным насосом - аналог того, что применяют на ГАЗ-560, и стартер мощностью 1,8-2 кВт. Урок преподал "406-й" мотор: лучше сразу применить импортный агрегат, чем получать рекламации на отечественные узлы. Впрочем, не исключаю, что со временем доля российских деталей в нашем дизеле вырастет.

ПЕРСПЕКТИВЫ

ЗМЗ-5143 - базовый двигатель нового семейства (см. таблицу). Двигатель с механическим насосом удовлетворяет требованиям Евро II. Мотор можно оснастить ТНВД "Бош-VP30" или VP44 (посадочные места компонентов топливной аппаратуры и ТНВД практически не меняются) с электронным управлением. Такой агрегат уложится в Евро III. Проходит испытания вариант с охладителем наддувочного воздуха (интеркулером) - ЗМЗ-5145.10 почти на 10 кВт мощнее родоначальника.

Следующий шаг - ЗМЗ-5148.10 с аккумуляторной системой топливоподачи "коммон рейл", регулируемым сопловым аппаратом турбины, возможно, системой обработки отработавших газов. Дизель будет значительно мощнее предшественников и уложится в строгие нормы Евро III, IV.

Мы довольно далеко ушли от бензинового мотора - унифицированных деталей совсем немного, зато сохранены общие технологические процессы. Это позволяет наладить серийный выпуск заволжских дизелей относительно малыми средствами. Изначально мы вписывали мотор под капоты нижегородских и ульяновских машин; надеюсь, их потребители смогут в ближайшее время оценить нашу работу.

От редакции. Пока мотор ЗМЗ-514 в небольших количествах устанавливают на частные УАЗы и "газели" в заводском центре адаптации дизельных двигателей в Заволжье. По последней информации, УАЗ в этом году выпускает 100 дизельных машин: новый мотор поровну поделят старое и новое семейства. Очевидно, уже с 2003 года выпуск вседорожников, оснащенных ЗМЗ-514, будет быстро расти. Один из моторов, надеемся, найдет место под капотом UAZ 3162, проходящего испытания в редакции; так что эта статья не первая (ЗР, 1998, № 10; 2002, № 11) и не последняя...

Эволюция дизельных двигателей Заволжского завода (слева направо): ЗМЗ-406Д (1996 год); ЗМЗ-5143 (в мелкосерийном производстве с 2001 года); ЗМЗ-5148 (представлен в 2002 году).

НАША СПРАВКА

Первый отечественный дизель НАТИ 1-60 спроектировали в 1931 году. В 1932-м изготовили пять 60-сильных моторов, однако конструкция агрегата оказалась сырой.

Первый дизельный автомобиль

Я-5 появился в 1934-м. На два пятитонных грузовика установили созданный годом раньше в "шарашке" - Особом конструкторском бюро ОГПУ, где работали арестованные инженеры, - мотор "Коджу" (Коба Джугашвили - партийная кличка и настоящая фамилия Сталина). Группа конструкторов под руководством Н. Бриллинга спроектировала шестицилиндровый агрегат объемом 10 л мощностью 87 л. с. Сборку двигателей вели на Ярославском автозаводе. Машины Я-5, оснащенные моторами с алюминиевыми блоком цилиндров и поршнями, чугунной головкой блока, неплохо показали себя в августе 1934-го на испытаниях с участием 27 зарубежных аналогов. Помимо автомобильного дизеля, в "шарашке" спроектировали агрегаты для трактора и подводной лодки. Последний назывался ЯГГ - в честь наркома внутренних дел Г. Г. Ягоды.

"Коджу" планировали выпускать в Уфе на заводе, который позднее перешел в ведение авиапрома, а в 1967-м начал поставлять моторы "Москвич-412" для АЗЛК.

Серийное производство отечественных двухтактных дизелей ЯАЗ-204 начали в 1947-м на оборудовании, завезенном из США. На грузовике ЯАЗ-200 (позднее - МАЗ-200) ставили агрегат - копию предвоенного американского "Джи-Эм-Си" серии 71.

Двигатель "Коджу" и его создатели. 1933 год.

Дизельный двигатель семейства ЗМЗ-514: 1 - коленчатый вал; 2 - шатун; 3 - поршень; 4 - впускной клапан; 5 - распредвалы; 6 - выпускной клапан; 7 - турбокомпрессор.