GAZ21.SU — Общесоюзный клуб волговодов М-21


Высота головки блока цилиндров разных модификаций, а также соответствующие степени сжатия и рекомендуемое топливо

Как известно, двигатель ГАЗ-21А в стандартной комплектации имеет степень сжатия около 6.7 и рассчитан на бензин с октановым числом 70-72. В то же время, такой бензин в наше время официально давно уже не выпускают, а в Европе и подавно. Поэтому есть смысл увеличить степень сжатия, чтобы соответствовать бензину А-76 (как минимум) или АИ-92. Собственно говоря, времена А-76 уже проходят, так что переводить двигатель на него в наше время уже немного поздновато — это надо было делать в 1980-е годы. Кстати, повышение степени сжатия — проверенный и наиболее действенный путь форсирования двигателя, и если учесть, что ГАЗ-24 рассчитана на 93 бензин, есть смысл уравнять параметры — а тогда, глядишь, и незачем будет ставить двигатель от 24.

Другая причина довести степень сжатия до параметров ГАЗ-24 и выше — в случае использования альтернативного топлива, а именно газа либо спирта, результаты будут наилучшими. Даже если у вас не стоит ГБО, а про спирт в качестве топлива вы никогда и не задумывались, завтра может всё измениться (например, 76 бензин станет дефицитом в силу падения спроса на него при увеличении парка новых автомобилей и списании старых грузовиков, или спирт появится на каждой заправке), а вы будете лучше подготовлены к переменам.

При этом не стоит кивать на разницу в цене: она не такая большая, а расход топлива при увеличении мощности и сохранении стиля езды уменьшается, так что по деньгам большой разницы не будет. Более того, скорее всего, будет выигрыш именно по деньгам.

Дополнительным плюсом такой операции является получение достаточно ровной плоскости разъёма ГБЦ, что важно для старых моторов, которые уже не раз перегревались и ГБЦ которых в результате искривились, что ведёт к проблемам с уходом охлаждающей жидкости в масло, прорыву газов в систему охлаждения итп.

Да и просто обидно выпускать бензин в выхлопную трубу, используя более высокооктановое топливо, чем то, на которое рассчитан двигатель.

Но тут, конечно, решать вам. В любом случае, это та модернизация, которую можно обнаружить лишь при большом желании, она не меняет внешний вид и оригинальность машины, зато увеличивается КПД двигателя, его приёмистость и экономичность, уходят проблемы с поиском топлива, так что доводы только за.

Самый простой способ увеличить степень сжатия — прошлифовать (профрезеровать) ГБЦ (головку блока цилиндров), уменьшив её высоту на определённую величину. Делается это на специальном оборудовании (в гаражных условиях добиться нужной точности едва ли возможно, ведь там должна быть идеальная плоскость, да и снимать нужно немало). Стоит это в Украине около $40, сделать могут на любом предприятии, где есть соответствующие станки. Вопрос лишь упирается в то, сколько миллиметров снимать при шлифовке. Чтобы определиться, можно воспользоваться таблицей ниже. Для тех, кому неинтересно копаться в тонкостях, вот резюме:

  1. Со стандартной 98-мм ГБЦ ГАЗ-21А необходимо снять 1 мм. Сделать это надо в любом случае. Топливом останется А-76.
  2. Ещё лучше снять сразу 3.5 мм и использовать АИ-92 для повышения мощности и уменьшения расхода.
  3. Максимально можно снимать не более 5.5 мм (иначе вскроются свечные каналы). Это можно делать, если планируется использовать исключительно газ или спирт.

А теперь — теория. Вот данные по разным моторам:

степень сжатиявысота ГБЦ, ммглубина КС, ммобъём КС, см3высота штанг, ммтопливодвигательсвечи
6.698.219.297287А-70ГАЗ-21 1-2-го выпуска, 70-72 л.с.?
6.73198.019.096287А-72ГАЗ-21 3-го выпуска, 75 л.с.А14У2
7.15 (7.20)96.717.988?А-76 (≡АИ-80)эксп. вариант ГАЗ-21, 75-80 л.с.А11У2
7.4 (7.5)96.0 (?)?84284.5А-803(≠АИ-80)4эксп. вариант 2-го вып. ГАЗ-21, 80 л.с.А11У2
7.65 (7.67)95.416.681284.5А-803эксп. вариант 3-го вып. ГАЗ-21, 85 л.с.А11У2
8.294.415.6(?)74283АИ-92 (93)4ЗМЗ-24Д, ЗМЗ-402А17В2
8.494.0?72283АИ-92/95-А17
8.793.5?69281АИ-95-А17
9.093.0?66280АИ-95+, пропан5-А17
9.392.5?63276АИ-98, метан5, этанол6-А17

Примечания.

  1. Надо сказать, тема высоты ГБЦ не раскрыта до конца с исторической точки зрения. Есть неясные места. В разных источниках разные значения степени сжатия. Причём в разных книгах одних и тех же авторов. Это вообще странно. То пишут степени сжатия 6.6 и 7.5, то 6.73 и 7.67, а высоту ГБЦ для этих степеней приводят одну и ту же — 98 и 95.4 мм соответственно. Неужели у третьего выпуска была иная форма камеры сгорания? Или точность измерения повысилась? Впрочем, это интересно только с исторической точки зрения.
  2. Со свечами путаница. Старый и новый ГОСТ…
  3. А-80 — не то же, что и АИ-80!!! В СНГ такого бензина нет!
  4. ОЧМ — октановое число по моторному методу, ОЧИ — по исследовательскому. Бензин А-80 имеет ОЧИ 88 (то есть как бы АИ-88). Бензин АИ-92 имеет ОЧМ 83 (то есть мог бы также называться А-83). Бензины А-76 и АИ-80 — одно и то же (ОЧМ и ОЧИ у них совпадают и равны 76 и 80 соответственно).
  5. Пропаном кратко называют смесь пропана и бутана. Это сжиженный газ. На нём также работают бытовые газовые плиты с питанием от баллона в негазифицированных домах. Это продукт перегонки нефти, и цена на него хоть и меньше, чем на бензин, но так же зависит от цен на нефть. Метан — сжатый (его также называют «сжатый природный газ» или СПГ). Это тот газ, который подаётся в газовые плиты газифицированных домов. Он добывается из недр, и цена на него не зависит от цен на нефть.
  6. Этанол — этиловый спирт.
  7. Высота ГБЦ замеряется от нижней плоскости до фланца клапанной крышки (в который ввинчиваются фиксирующие её винты).
  8. Объём камеры сгорания указан с установленными клапанами, свечой, но без учёта прокладки (10.8 см3 при толщине 1.5 мм и площади отверстия 72 см2; площадь поршня 66.5 см2, что обусловлено иной формой отверстия в прокладке — она не круглая; что же касается площади камеры сгорания, то она меньше всего и составляет 57.5 см2). В заводских головках погрешность составляет 2 см3. Следует иметь в виду, что в книгах по ГАЗ-21 он указан с ошибкой (74…78 см3 вместо 94…98). Для ЗМЗ-24Д в книгах также приводятся некорректные данные: 74…77 см3. При заявленной степени сжатия этого двигателя 8.2 следует ориентироваться на первую величину, ибо последняя даёт степень сжатия 8.0. Для расчёта степени сжатия можно использовать специальный калькулятор.

Увеличив степень сжатия, настоятельно рекомендуется одновременно провести модернизацию системы зажигания. Кроме того, есть смысл заняться подгонкой камер сгорания по объёму и их полировкой. Если вы не готовы к таким серьёзным переделкам, то можете ограничиться фрезеровкой ГБЦ до высоты, соответствующей 76 или 92 бензину без перебора, то есть 1 и 3.5 мм соответственно.

Повышать степень сжатия более 9 нет смысла. Прибавка мощности при этом очень незначительная, а вот склонность к детонации сильно возрастает, да и шлифовать головку некуда — вскроются водяные каналы и свечные резьбы. Бензина даже 98 может не хватать. Это имеет смысл только если машина будет эксплуатироваться исключительно на метане или спирте. Кроме того, существенно возрастает тепловая нагрузка на клапана. Из теории и практики конструирования ДВС известно, что после доведения степени сжатия до 10 дальнейшее её повышение практически не даёт эффекта. В применении к Волге можно утверждать, что 9 — максимальная разумная степень сжатия для этой машины.

А теперь немного практического опыта. В своё время, собирая практически с нуля новый двигатель для своего автомобиля, я приобрёл новую штатную ГБЦ высотой 98 мм. Прочитав в книжке, что были модификации под 80-й бензин, решил довести свою ГБЦ до их параметров, чтобы не терять мощность при использовании этого бензина (который, как мне казалось, был в наличии на заправках). Спилил с головки 2 миллиметра. Увы, я и не подозревал, что современный 80-й бензин — совсем не то, что тот 80-й, под который делались экспортные модификации. Как уже упоминалось выше, буквочка «и» пропала из названия бензина, потому что на самом деле он не А-80, а АИ-80, и соответствует по октановому числу А-76, просто в другой системе отсчёта… И всё бы ничего, да вот только тот А-80, который честно А-80 без всяких «и», по октановому числу значительно ближе к АИ-92, чем к АИ-80, который А-76. Привело это к тому, что от жуткой детонации на А-76 у меня через буквально два мегаметра пробега поршневые пальцы повылазили из поршней. Компрессия, понятно, ушла. Вот как выглядел двигатель:

Видны ямки на гильзах, «профрезерованные» пальцами. Пришлось в срочном порядке менять ЦПГ в Москве (дело было в 2006 году во время пробега в Нижний Новгород в честь 50-летия начала производства ГАЗ-21, на обратном пути).

Вернувшись в Одессу, я ещё раз (уже неспешно и не на коленке) перебрал двигатель и выяснил причину поломки (неправильный бензин). И тогда я решил, что мешать при каждой заправке А-76 и АИ-92 — лишние проблемы, и проще будет сразу перейти на 92 бензин. Снял с головки ещё 2 мм и до сих пор так езжу. Очень доволен, так как мощность возросла, расход упал, причём при нынешних ценах на бензин получается выгоднее на АИ-92. Считайте сами: расход АИ-92 по трассе у меня не более 10 литров, а раньше был 12. Однако бензин А-76 явно не в 1.2 раза дешевле 92-го, а меньше, примерно в 1.05-1.15. По городу разница ещё заметнее: сейчас расход 12 литров, а был 15 (стал в 1.25 раз меньше — такой разницы в цене АИ-80 и АИ-92 давно нет).

Однако имеет также значение, где заправляться. Одно время я заправлялся на Алькоре. Так вот, на нём у меня была сильная детонация, невзирая даже на наличие автоматического октан-корректора с датчиком детонации. Это если заливать их АИ-92. Приходилось заливать АИ-95. И так бы я и думал, что те лишние 0.4 мм, которые я снял с головки в сравнении со штатным мотором ЗМЗ-24Д, рассчитанным на АИ-93, вынуждают использовать более высокооктановое топливо, если бы перед поездкой в Умань как-то не заправился на WOG. Получилось так, что у меня были деньги на полный бак, но я поленился заправиться накануне и решил заправиться непосредственно перед поездкой. А с утра уже были новые цены (моё еврейское счастье, уже не в первый раз), и на те деньги я мог залиться тем же 92. Ну что делать? Так и поехал. И обнаружил, что детонации нет вообще. По-моему, убедительнее всего был тот факт, что на самые крутые и затяжные подъёмы, которыми славится трасса Одесса-Киев, я взбирался на прямой передаче и полном газу со скоростью 100 км/ч по GPS в конце подъёма (ну если честно, на одном самом злом подъёме вышло 93). (Штатному спидометру доверять не стоит, даже при родных же колёсах он всё равно исправно накидывает 10%). Никакой детонации. Расход 9.5 л на сотню. Вот что значит качественный бензин, настоящий АИ-92, а не неизвестно что на Алькоре (скорее всего, 80-й, в который набухали ферроценов).

В данный момент есть мысли ещё профрезеровать ГБЦ. Однако мучают сомнения, на сколько. Хочется по максимуму, до 93.0 мм и степени сжатия 9. Однако в то же время не хочется лить АИ-98. Вот и думаю. Если при 94 мм на хорошем АИ-92 ездит нормально, то на хорошем же АИ-95 будет ездить при 93 мм, или всё же не рисковать и сделать 93.5 мм? Вопрос остаётся открытым…

Игорь Калинин «Штирлиц»

© GAZ21.SU 2007

Выбор степени сжатия

До недавнего времени повышение степени сжатия в ралли допускалось только для группы улучшенных автомобилей. С начала III Всесоюзной спартакиады по техническим видам спорта стали действовать и новые технические условия, согласно которым во всех крупных соревнованиях серийные и улучшенные автомобили объединяются в одну группу. Таким образом, один из самых эффективных способов повышения мощности и экономичности двигателя получает широкое распространение при подготовке автомобилей к ралли. Кроме того, степень сжатия можно увеличивать во всех группах автомобилей на шоссейно-кольцевых гонках.

В Положении о соревновании обычно оговаривают сорт топлива, которым обеспечивают участников. С учетом этого можно приступить к выбору степени сжатия.

При отсутствии экспериментальных данных октановое число топлива для данного форсированного двигателя определяется по формуле, выведенной на основании детонационных испытаний многих двигателей различных марок.

Вот эта формула:

Максимальное октановое число составляет для двигателя «Москвича-407» (=7.0) — 83, а для М-21 «Волга» (=6.7) — 81 единицу.

Однако, и не поступаясь степенью сжатия, можно существенно снизить требования к октановому числу топлива. Для этого надо правильно выбрать характеристику автомата опережения зажигания. Следует при этом иметь в виду, что во время соревнования водитель чаще пользуется низшими передачами, и поэтому двигатель редко работает на полной нагрузке при низких числах оборотов, то есть на режиме максимальной склонности к детонации. На остальных режимах двигатель может работать при оптимальных углах опережения зажигания без детонации.

Опыт показывает, что в условиях соревнований без ущерба для динамики автомобиля можно использовать топливо с октановым числом на 6…10 единиц меньшим, чем максимально требуемая величина, определенная в условиях стендовых испытаний или по формуле (1).

Увеличение степени сжатия приводит к значительному повышению температурного режима и давления в цилиндре двигателя. Поэтому при увеличении степени сжатия необходимо в первую очередь учитывать жаростойкость тарелки выпускного клапана, прочность деталей шатунно-кривошипного механизма, возможность возникновения детонации, калильного зажигания и т. д. С повышением степени сжатия эффективная мощность увеличивается в меньшей степени, а надежность работы при этом уменьшается. Поэтому при форсировании стандартных двигателей для ралли степень сжатия более 8.5…9.0 повышать не рекомендуется.

Увеличение степени сжатия рядных верхнеклапанных двигателей с овальной камерой сгорания достигается механической обработкой нижней плоскости головки на фрезерном или расточном станке.

Предварительно необходимо оценить возможность механической обработки головки, чтобы убедиться в достаточной толщине стенок камеры сгорания, системы охлаждения и т. д.

У стандартного двигателя «Москвича-407» обычно не удается сфреэеровать нижнюю плоскость головки блока более чем на 4…4.5 мм (то есть до =8.3…8.5), так как при этом появляется отверстие между цековкой под свечу и водяной перемычкой в прокладке головки. Если отверстие невелико, его уплотняют пластинкой из рейсметалла, покрытой лаком. У двигателя М-21 величина обработки головки ограничена толщиной стенок камеры сгорания и зависит от надежности двигателя и качества топлива. Чтобы предварительно определить степень сжатия подготовленной для обработки головки, пользуются следующей формулой:





— объем части камеры сгорания, приходящейся на толщину прокладки;

— объем части поршня, выступающей над плоскостью блока цилиндров.

Для определения объема камеры сгорания головку блока устанавливают горизонтально. На её плоскость накладывают стекло с отверстием, через которое в камеру сгорания заливается керосин, газойль или соляровое масло. Объем камеры сгорания в прокладке головки обычно определяют расчетом. Площадь отверстия в прокладке можно подсчитать, перенеся его контуры на миллиметровую бумагу, или при помощи планиметра. Объем вычисляют умножением этой площади на толщину прокладки, уже стоявшей на двигателе. Встречаются двигатели, у которых поршень в верхней мертвой точке на несколько десятых миллиметра выступает над плоскостью блока. Для определения объема Vn. при плоском днище площадь поршня нужно умножить на высоту выступающей части поршня. Если днище поршня не плоское, то Vn определяется замером вытесненного объема выступающей части поршня или расчетом.

Ниже приводится пример расчета для автомобилей «Москвич-407» и М-21 Д «Волга» (см. таблицу).

При проведении предварительного расчета степени сжатия могут встретиться две задачи, рассмотренные в приводимых ниже примерах.

1. Определить степень сжатия, если толщина сфрезерованного слоя ограничена (например, для двигателя «Москвич» она может быть равна 0.41 см). Объем камеры при этом уменьшается на величину, равную произведению площади камеры сгорания (33 см2) на высоту сфрезерованного слоя:

33×0.41=13.5 см3. Вычисляем степень сжатия по формуле (2). В данном случае она будет равна:

2. Определить, на сколько нужно обработать нижнюю плоскость головки блока, чтобы повысить степень сжатия до заданной величины. Разберем пример для двигателя М-21Д (1=7.65). При эксплуатации автомобиля на высокооктановом топливе (90…95) степень сжатия 2 может быть увеличена до 8.5. Для этого нужно уменьшить объем камеры сгорания на следующую величину:

Разделив полученный результат на площадь камеры сгорания, находим, на сколько нужно уменьшить высоту камеры сгорания:

После обработки головки блока и установки клапанов и свечей необходимо проверить объем каждой камеры сгорания и подсчитать полученные величины степени сжатия. Наличие одной или двух камер с повышенной степенью сжатия при ограниченном октановом числе топлива будет лимитировать установку оптимальных углов опережения зажигания. При слишком большой разнице в величинах степени сжатия (свыше 0.1) необходимо увеличить камеру сгорания с малым объемом, расточив на станке или обработав бормашиной стенки камеры у впускного клапана.

Об эффективности применения ряда усовершенствований двигателя можно судить по данным стендовых или дорожных испытаний.

На рис. 1 приведены скоростные характеристики двух двигателей МЗМА-407 — серийного и форсированного. При 4500 об/мин коэффициент наполнения двигателя увеличивается на 15 процентов благодаря обработке поверхности впускных и выпускных трактов и установке вместо карбюратора К-59 двухкамерного карбюратора К-126 Повышение степени сжатия с 7 до 8.4 позволяет дополнительно улучшить мощностные показатели на всем диапазоне числа оборотов. Суммарное увеличение мощности составляет от 9% (при 1800 об/мин) до 19…21 процента в диапазоне от 3300 до 4500 об/мин.

При 5400 об/мин двигатель развивал 58.8 л.с., что позволяло существенно улучшить динамические качества автомобиля. Некоторое повышение удельного расхода топлива при средних и пысоких числах оборотов (с 235 до 255 г/э. л. с. в час при 3400 об/мин) объясняется тем, что карбюратор был отрегулирован на более богатую смесь для улучшения динамики разгона автомобиля и снижения температурного режима двигателя при высоких числах оборотов. Степень сжатия 8.4 не является пределом. Изменяя форму камеры сгорания, удавалось поднять её до 9.15. Такой двигатель прошел более 10 тысяч километров с повышенными скоростями и был пригоден для эксплуатации.

Результаты стендовых испытаний двигателя М-21 «Волга» при работе с двухкамерным карбюратором К-126 показали, что при установке головки блока с повышенной степенью сжатия (8.4) и обработанными впускными и выпускными каналами коэффициент наполнения по сравнению с серийной головкой (6.7) повышается при средних и высоких оборотах (до 4 процентов при 3900 об/мин), а мощность увеличивается от 7.5 до 15 процентов в диапазоне от 1500 до 3900 об/мин. При 4400 об/мин двигатель развивает 96.8 л. с. (рис. 2).

При повышенной степени сжатия в условиях длительной работы на тяжелых режимах необходимо применять более «холодные» свечи. У них меньшая поверхность изолятора со стороны камеры сгорания и, следовательно, меньшая температурная напряженность. Отечественные свечи маркируются в зависимости от длины «юбки» изолятора. Для двигателей серийных автомобилей «Москвич» и «Волга» применяются свечи А-11У и А-14У. При повышении степени сжатия этих двигателей необходимо подобрать свечи в зависимости от характера соревнования, времени года, регулировки карбюратора и т. д. При степени сжатия 7.5…8.5 обычно удается использовать свечи А-8Б и А-7,56, А-6У, выпускаемые для двигателей воздушного охлаждения. При дальнейшей форсировке по степени сжатия и числу оборотов приходится устанавливать специальные свечи ВКС-28; ВКС-32 и т. д.

После того как подготовка двигателя закончена, необходимо обкатать его, подтянуть головку блока, проверить тепловые зазоры клапанов, а также соответствие марки свечей. Окончательно динамические качества автомобиля после установки форсированного двигателя оцениваются по данным дорожных испытаний на разгон и максимальную скорость.



А. ДМИТРИЕВСКИЙ, кандидат технических наук, мастер спорта.

© Журнал «За рулем»

См. также рекомендации ЗМЗ.