Как облегчить сборку двигателя

В конце 2010 года к нам обратился клиент, который хотел построить мощный двигатель на восьмерку (ВАЗ 21083). Проект задумывался как шоу-стоппер — основные силы и финансы хозяин авто направил на переделку кузова и салона. Оставить под капотом стандартный двигатель объемом 1.5 литра желания уже не было.

Однако, мы были ограничены бюджетом автомобиля — на двигатель нам выделили не так уж много средств, да и то в рассрочку. По-этому сразу отпали все дорогостоящие вещи вроде турбины, 16-ти клапанной ГБЦ, и дросселей.

Размышляя над проектом, автор предложил хозяину авто реализовать давнюю идею, которую он вынашивал еще для своей восьмерки. Та восьмерка умерла от старости кузова, так и не дожив до такого двигателя (впрочем, оно и хорошо, т.к. гнилой кузов такого бы не выдержал). Следы той восьмерки еще можно найти в анналах истории — здесь мы делали ей двигатель в 2007 году, а здесь и здесь кузов уже агонизировал. Машина умерла, но идея — нет.

Итак, концепция двигателя была предложена следующая. «Полторашный» блок цилиндров наращиваем в высоту плитой, ставим коленвал с ходом 84 мм, и полноценной шатунной шейкой — и выходим на объем 1.8 литра. Головку оставляем 8-ми клапанную, но дорабатываем ее по полной программе и реализуем некоторые новые разработки и хитрости. Карбюратор для начала оставляем вертикальный Солекс, с оригинальным коллектором. Выхлоп — прямоточный (клиент поначалу поставил прямоточный глушитель, весьма шумный, но впоследствии вернулся к тихому глушителю), обязательно ставим паук 4-2-1 и прямоточный резонатор.

Учитывая, что автор хотел проверить идею, хозяину авто предоставили большую скидку на работы — многое было сделано по очень низкой цене.

Согласовав основные направления работы, к нам привезли двигатель — большой слипшийся кусок грязных полуфабрикатов. Мотор старый, как и машина. Головка имеет клеймо — «сделано в СССР». На машину хозяин купил новый кузов и начал заниматься его переделкой, а мы — заниматься двигателем. Пробка поддона была сорвана напрочь. Как слить масло решили просто — в пробке просверлили дырку.

Далее автор просит простить сухость и краткость отчёта, а так же отсутствие многих фотографий. Публикация всех фотографий позволила бы раскрыть многие технологические секреты и нюансы, а мы бы не хотели этого. Постройка двигателя такого уровня — крайне нетривиальная задача, с огромным количеством подводных камней и проблем. Многие решались очень трудно и автор не хотел бы рассказывать о них.

Наращивание блока плитой

Коленвал приобрели в Тольятти, ход шатунной шейки 84 мм, вместо стандартного хода 71 мм для 1.5 литрового двигателя. Коленвал недешевый — около 16 тыс.руб. Шатунная шейка полнобазовая, т.е. под ВАЗовский вкладыш.

Взяли второй блок 21083, отрезали от него верхушку, соединили с родным блоком. На словах всё просто, но в процессе данной работы было решено большое количество технологических проблем и вопросов. Работа долгая, сложная и весьма трудоёмкая. Покажем малую часть фотографий.

«Дырявый» впускной коллектор

Впускные каналы в головке и коллекторе нам были нужны экстремально большие. Головка 21083 не позволяет сделать большой впускной канал по диаметру, но мы успешно решили эту проблему, обеспечив кубатуре в 1.8 литра свободный «вдох».
Впускной коллектор был буквально выпотрошен. Диаметры каналов увеличились очень сильно. Не будем афишировать диаметр канала — на фото видно, что он значителен.

Головка блока цилиндров

Как уже говорилось выше, исходя из ограниченности бюджета, решили оставить восьмиклапанную головку, с прицелом на то, что-бы вытащить из нее всё, на что она способна. Каналы распилили не просто предельно, а экстремально. Не будем приводить цифр диаметров каналов, скажем лишь, что каналы такого диаметра на 21083 голове мы делали впервые и оправданы они только для больших объемов «низа». Разумеется, превзойти 16 клапанную головку по пропускной способности вряд-ли возможно, да мы и не ставили такую цель — нам было важно получить максимум отдачи именно от восьмиклапанной головки.
Распредвал мы выбрали предельный из линейки Нуждина, работающий на серийных толкателях с шайбами (цельники ставить не было желания), с подъемом 12.36 мм. Клапана заменили на увеличенные, поставили жесткие пружины клапанов.

Распредвал 2110 Нуждин 12.36 СПОРТ
Доработанные каналы (экстремальные диаметры)
Доработанные камеры сгорания
Дюралевые тарелки пружин K-POWER (роспуск пружин 3 мм)
Жесткие одинарные пружины клапанов Германия
Импортные сухари клапанов
Замена седел на увеличенные (жаростойкая сталь, 11% хром)
Клапана увеличенные 39х34 мм
Втулки направляющие — бронзовые (импортная заготовка)
Принудительная смазка толкателей клапанов
Регулировочные шайбы доработаны по RS-технологии
Завтуливание масляного канала

Когда автор в Тольятти обсуждал с Нуждиным А.М. проект данного двигателя, Александр Михайлович высказал мысль, что мне не удасться удержать степень сжатия на приемлимом уровне, при таком объеме двигателя и такой ГБЦ, и потребуется высокооктановый бензин. Дело в том, что я хотел поставить плоский поршень, без выемок и циковок. С большим удовлетворением константирую, что автору удалось решить проблему с высокой СЖ, и автомобиль использует бензин Аи95! Замер ВСХ был сделан именно на 95-ом бензине.

КПП и привода

Коробку перебрали. Ряд остался временно серийный, главную пару по настоянию хозяина авто поставили 4,1 — это было большой ошибкой — как выяснилось впоследствии, передачи получились слишком короткие. Привода перебрали, ШРУСы поменяли местами, промыли, заложили смазку ХАДО и поставили новые чехлы.

Сборка двигателя

Еще одна составляющая двигателя — шатунно-поршневая группа. Поскольку бюджет был ограничен, использовали облегченную ШПГ от Приоры. Длинный шатун 133 мм обеспечивает хорошее RS-соотношение для такого объема, легкий поршень и тонкие кольца — снижение мехпотерь и высокую мощность. Кольца — наборные, что очень важно.
Маховик так же был облегчен.

Ставим блок цилиндров в отсек и накрываем головкой. Большая морока была с пауком — из-за выросшего в высоту блока, коллектор начал задевать за стабилизатор. Карбюратор — доработанный Солекс 26х26.

Общий вид машины (без бамперов):

После небольшой обкатки мы замерили мощность двигателя, сняв график ВСХ (внешняя-скоростная характеристика). Результат превзошел все наши ожидания. Двигатель показал максимальную мощность в 169 л.с. при 6500 об. Максимальный крутящий момент — 21.7 кг при 4900 об. Потенциальный диапазон двигателя — до 8000-9000 об. На первом пробном заезде мотор легко бросил стрелку тахометра в 8000 об.
По графику видно, что на 2000 об крутящий момент составляет 15 кг, а после 3500 об начинается резкий рост момента («подхват»).
Холостой ход — 1500 об.

После запуска двигателя мы сняли несколько видео-роликов, объединив их в один, и выложили на Youtube. В ролике показан холостой ход двигателя, и несколько пробных заездов автомобиля со стороны. Видно, что передачи очень короткие (из-за ГП 4.1), и колеса 225\45\R16 буксуют на асфальте.

Необходимо понимать, что данный двигатель — класса спорт, со всеми вытекающими отсюда последствиями — высокая техническая сложность, относительно небольшой ресурс, связанный с большими оборотами и нагрузками. Двигатель получился довольно бюджетным, была использована недорогая шатунно-поршневая группа от Приоры. По мере развития проекта, будем дополнять отчёт новыми подробностями.

Обновление от 26.02.12:

Мотор перемолол шестерню вторичного вала. Об этом мы написали небольшой материал с фотоотчётом и выложили в Кунсткамере. Теперь в двигателе установлена длинная главная пара 3,7.

Статья написана: 18 февраля 2012 г.
Обновление: 26.02.12:
Автор статьи, фото-видео материалов: © Квазар
Запрещены без письменного разрешения автора: перепечатка статьи целиком или частично, перепечатка и использование фото-видео материалов, равно как их изменение и редактирование в целях дальнейшей публикации на сторонних сайтах.

«Моторист-конструктор» или как правильно собрать двигатель? ч. 2

Не проверишь — не поедешь

Лакмусовой бумажкой, позволяющей отличить моториста-профессионала от дилетанта, является отношение к контрольно-измерительным операциям при сборке узла. И дело не только в том, что измерение геометрии каждой детали требует терпения и скрупулезности. Необходимо понимать смысл этих операций, а для этого моторист должен четко знать технологию ремонтных операций, не входящих непосредственно в процесс сборки двигателя, например, как шлифуют коленчатый вал или растачивают и хонингуют блок цилиндров.

Зачем, спросите? Ведь расточник по размеру поршней может сам определить диаметр цилиндров, а после обработки блока проконтролировать результат.

Действительно, может. Только ответственность за сборку, а значит, и за работу двигателя после ремонта несет моторист-механик. Так что делайте выводы, стоит ли тратить время на контрольные замеры, или ими можно пренебречь.

Это должен знать каждый

Как правило, специалист начинает сборку шатунно-поршневой группы с проверки блока цилиндров. И не случайно: блок цилиндров — основа всего двигателя. На него монтируется большинство моторных деталей и узлов. Брак, допущенный при ремонте цилиндров, может существенно затормозить процесс сборки двигателя.

Как известно, изношенные цилиндры растачивают и хонингуют в увеличенный (ремонтный) размер. При этом, помимо необходимой точности размеров, обязательным являются определенная микроструктура и рельеф поверхности цилиндров. Об этом нередко забывают, а зря. Идеальный с точки зрения геометрии цилиндр склонен к ускоренному износу при нарушении технологии хонингования или использовании несоответствующего инструмента. Та же участь уготована и другим деталям ЦПГ — в первую очередь поршневым кольцам.

Растачивание цилиндров обычно выполняют на вертикально-расточном станке. При этом необходимо обеспечить перпендикулярность поверхности цилиндра к оси постелей коленчатого вала. Особое внимание уделяется окончательному размеру после расточки. Величина припуска под хонингование должна быть не менее 0,06-0,08 мм. Дело в том, что при растачивании резец деформирует поверхность металла, завальцовывая графитовые зерна, содержащиеся в чугуне (графит, выходящий на поверхность, обеспечивает низкое трение поршневых колец и, соответственно, малый износ колец и самих цилиндров). Если припуск окажется слишком малым, то после хонингования графитовые зерна не вскроются.

Препятствовать открытию зерен графита могут и неправильно выбранные режимы хонингования, условия подачи смазки в зону хонингования, тип смазывающего материала.

Хонингование цилиндров выполняют на вертикально-хонинговальных станках. Суть этой операции вовсе не в заглаживании рисок от резца, как ошибочно полагают некоторые механики. При хонинговании за счет вращения и возвратно-поступательного движения головки с абразивными брусками на поверхности цилиндров намеренно создается шероховатость в виде сетки рисок определенной глубины, способных удерживать масло и тем самым смазывать поршневые кольца и поршни.

Очень важен угол хонингования — угол между рисками, образованными при поступательном движении головки. Оптимальные значения угла хонингования — 40-80 o , что обеспечивается правильным подбором соотношения частоты вращения и скорости возвратно-поступательного движения хонголовки. При малом угле не удается добиться нужного профиля поверхности, что ведет к полусухому трению и возрастанию износа деталей. Большие углы обычно дают увеличение расхода масла.

Для получения необходимого микропрофиля поверхности, а именно сравнительно глубоких впадин и сглаженных выступов, хонингование выполняется в несколько операций (переходов). Черновое хонингование выполняют абразивными брусками с зернистостью 150, съем металла составляет около 0,06 мм. Далее следует чистовое хонингование брусками с зернистостью 280 (съем приблизительно 0,02 мм). И, наконец, отделочное хонингование брусками зернистостью 400-600 со съемом менее 0,005 мм (так называемое платохонингование).

Именно такая технология обеспечивает сглаживание выступов, фактически приближая профиль поверхности к той, какая будет после приработки деталей. В последние годы финишные операции хонингования стали заменять обработкой поверхности с помощью специальных абразивных щеток, дополнительно заглаживающих заусеницы на краях впадин (рисок).

Как проверить блок цилиндров?

Качество ремонта поверхности цилиндров (например, микропрофиль поверхности и выход графита на ней) в условиях авторемонтного предприятия проверить проблематично — для этого требуется специальное дорогостоящее оборудование (включая специальный прибор для определения шероховатости и микропрофиля поверхности). Поэтому ремонт цилиндров обычно осуществляется в специализированных мастерских, располагающих соответствующим оборудованием. А задача автосервиса — проверить размеры цилиндров на соответствие нормативным требованиям.

Начиная сборку шатунно-поршневой группы, моторист обязан проверить геометрические размеры — диаметр цилиндра в трех поясах (верхней, средней и нижней части цилиндров), причем в двух направлениях — продольном (вдоль оси коленвала) и поперечном. Измерения проводятся при помощи нутрометра. Все погрешности, включая любые отклонения формы, должны укладываться в допуск 0,011-0,018 мм в зависимости от величины диаметра цилиндра.

Для блоков с установленными в нем гильзами требуется еще ряд проверок. Верхняя плоскость бурта гильз должна выступать над плоскостью блока на 0,05-0,1 мм для «мокрых» и 0-0,1 мм для «сухих» гильз. Кроме того, опорные поверхности бурта на гильзе и выточки в блоке должны быть плоскопараллельны, а фаска на выточке должна быть больше, чем радиус перехода от бурта к цилиндрической части на гильзе (в противном случае гильза может треснуть). «Мокрые» гильзы, помимо этого, должны легко вставляться в свои гнезда на блоке (поверхность гнезд необходимо предварительно хорошо очистить). «Сухие» гильзы, напротив, запрессовываются в блок с натягом около 0,05 мм, причем поверхности сопряжения гильзы и блока должны быть гладкими, чтобы обеспечить хороший тепловой контакт и герметичность.

Верхний край цилиндров после ремонта может быть острым, что затрудняет установку поршней с кольцами и даже может спровоцировать поломку колец. Поэтому этот край следует обязательно притупить, сделав с помощью шабера небольшую фаску.

После всех проверок следует убедиться, что блок чистый, а на поверхности цилиндров не осталось грязи и абразивных частиц. Последние особенно опасны — плохо промытый после хонингования блок цилиндров не «проедет» и половины своего ресурса. Эффективные способы мойки цилиндров — ультразвук, керосин, масло, содовые растворы и специальные моющие средства. Бензин применять нельзя — абразив он не удаляет, зато весьма пожароопасен.

Как проверить поршень и шатун?

При сборке требуется правильно измерить размер юбки поршня, чтобы определить рабочий зазор поршня в цилиндре. Для этого используют микрометр или более точный прибор — измерительную скобу.

У подавляющего большинства поршней иностранного производства (поставляемых производителями комплектующих для двигателей) размер поршня выбит на днище, причем нередко указывается и минимально допустимый зазор поршня в цилиндре. Так что задача моториста — проверить, насколько замеры соответствуют нормативам (проверка обязательна, поскольку иногда встречаются отклонения). Отечественные поршни требуется проверять «с пристрастием» — разброс размеров в одном комплекте может оказаться весьма значительным.

Разница между диаметром цилиндра и размером поршня составляет искомый зазор: практика показала, что оптимальной является величина зазора, превышающая минимально допустимое значение на 0,01-0,02 мм.

Иная ситуация с поршнями, имеющими антифрикционное графитовое покрытие юбки (оно имеет характерный черный цвет). Если у поршня покрытие сплошное, то истинный размер юбки будет меньше измеренного на толщину слоя покрытия 0,015-0,02 мм. Поршни с покрытием, нанесенным трафаретным способом, замеряются в специальных точках, где графитовый слой отсутствует.

Шатун перед сборкой проверяют на отсутствие деформации стержня: оси отверстий верхней и нижней головок должны быть параллельны. Допустима непараллельность осей 0,02 мм на измерительной базе 100 мм. Лучше всего использовать для этого специальное измерительное приспособление. Другие способы проверки (на плите, с помощью стержня, вставляемого в отверстия верхней головки сразу нескольких шатунов, лекальной линейкой) не обеспечивают необходимой точности. Кроме того, проверяют посадку пальца в шатуне: у «плавающих» пальцев зазор обычно лежит в пределах 0,01-0,02 мм, а у фиксированных пальцев натяг составляет в среднем 0,02-0,04 мм.

Сборка поршней с шатунами выполняется различными способами в зависимости от того, какой тип пальцев используется. «Плавающий» палец входит в отверстие бобышки поршня «от руки». Важно только не перепутать направление установки деталей и не забыть смазать палец маслом. Далее следует установить в канавки новые стопорные кольца, причем их стыки должны быть ориентированы в направлении движения поршней, иначе кольцо может выскочить из канавки при работе двигателя. По этой же причине нельзя использовать стопорные кольца, бывшие в употреблении.

У некоторых старых отечественных двигателей посадка пальца в поршне может быть слишком плотной. Использовать молоток для «заколачивания» пальцев нельзя, достаточно прогреть поршни до 60-80 o С, и пальцы войдут «от руки».

В конструкциях с фиксированным пальцем сборка сложнее. Во-первых, необходима оправка, обеспечивающая точную установку пальца по середине поршня. Кроме того, шатун следует нагреть в муфельной печи или в крайнем случае на электроплите до 280-320 o С, чтобы палец свободно вошел в отверстие его верхней головки. Ни в коем случае нельзя использовать открытое пламя для нагрева шатуна, а также «забивать» палец молотком, что иногда практикуется в некоторых мастерских.

Проверка поршневых колец

Бывает, что производители поставляют поршни без поршневых колец. Учитывая большое количество модификаций, которые имеют некоторые двигатели, желательно проверить высоту и радиальную ширину поршневых колец на предмет их соответствия канавкам поршней.

Зазор между торцами кольца и канавки можно определить различными способами, но проще всего установить кольцо в канавку и воспользоваться набором щупов. Торцевой зазор должен составлять в среднем 0,05-0,1 мм. Если зазор оказывается свыше 0,12 мм, то это означает, что кольцо или канавка поршня имеют недопустимые отклонения размеров.

Не менее важно проверить зазор в замках колец, для чего кольца поочередно устанавливают в верхнюю часть цилиндра. Зазор в замке замеряют с помощью набора щупов. Он составляет в среднем 0,4-0,6 мм.

Установка колец на поршень

Это простая, но ответственная операция — неаккуратность может привести к поломке кольца (чаще всего ломаются средние кольца) или значительному росту расхода масла у отремонтированного двигателя (если нарушить ориентировку колец).

На верхних кольцах направление сборки обычно обозначается словом ТОР (вершина). Стороной с этой надписью кольцо должно быть обращено к днищу поршня. Средние кольца скребкового типа монтируются скребком вниз. У колец с фаской на внутренней поверхности фаска чаще всего обращена вверх.

При установке колец особое внимание следует обращать на наборные маслосъемные кольца с двухфункциональным пружинным расширителем — важно, чтобы при монтаже дисков кольца звенья расширителя у стыка не встали внахлест.

Среднее и верхнее кольца устанавливают на поршень после монтажа маслосъемного. Для того чтобы не сломать и не деформировать кольца, желательно пользоваться специальными клещами. После установки колец необходимо проверять легкость их вращения в канавках.

Установка поршней в блок цилиндров

Прежде чем начинать этот этап сборки, следует установить кольца так, чтобы их замки располагались под углом 120 o . При этом стык пружины коробчатого маслосъемного кольца должен быть развернут на 180 o относительно замка самого кольца, а стык расширителя — на 120 o относительно замков дисков наборного кольца.

Поверхность цилиндра, юбки поршней, кольца и шатунные вкладыши смазывают маслом, после чего кольца обжимают с помощью специальной оправки — ленточной или конической. Устанавливая поршни с шатунами в цилиндр, следует проверить направление сборки (обычно на поршнях иностранного производства ставится стрелка, указывающая на передний носок коленвала). Далее поршни проталкиваются в цилиндр легкими ударами рукоятки молотка. При этом надо следить, чтобы поршень продвигался без усилий, иначе можно сломать кольца (чаще всего ошибки на этой операции приводят к поломке коробчатого маслосъемного кольца или недопустимой деформации дисков наборного кольца).

После затягивания болтов крышек шатунов обязательно контролируется величина выступания днища поршней над верхней плоскостью блока (при положении поршней в ВМТ). Это значение определяется заводом-изготовителем двигателя. Если таких данных нет, то, с учетом толщины прокладки, зазор между поршнем и головкой блока не должен быть меньше 1 мм.

На этом сборка шатунно-поршневой группы закончена. Однако деталям ЦПГ еще предстоит обкатка на пониженных оборотах и нагрузках. При этом детали взаимно прирабатываются, загрязняя масло частицами износа, вследствие чего первую замену масла и масляного фильтра проводят не позднее, чем через 500 км пробега после ремонта.