Двигатель Chevrolet 2300: История, Конструкция и Проблемы

Введение

Chevrolet 2300 – рядный четырехцилиндровый двигатель, производившийся подразделением Chevrolet компании General Motors для моделей Chevrolet Vega и Chevrolet Monza с 1971 по 1977 год. Этот двигатель также устанавливался на Pontiac Astre 1973–1974 годов (только для Канады), Pontiac Astre 1975–1977 годов (США и Канада), Pontiac Sunbird только в 1976 году и Oldsmobile Starfire в 1976–1977 годах. Двигатель отличался блоком цилиндров из алюминиевого сплава, отлитым под давлением. В высокотехнологичном блоке использовался сплав с содержанием 17% кремния. В процессе обработки цилиндры подвергались травлению, обнажая частицы чистого кремния, которые служили износостойкой поверхностью для поршней, что позволило отказаться от использования чугунных гильз цилиндров. Блок имеет крышки коренных подшипников и коленчатый вал из чугуна. Головка блока цилиндров изготовлена из чугуна для снижения стоимости, обеспечения прочности конструкции и увеличения срока службы подшипников распределительного вала. Система газораспределения оснащена прямым приводом от верхнего распределительного вала. Блок цилиндров и головки блока цилиндров отливались на заводе Massena Castings Plant в городе Массена, штат Нью-Йорк.

Обзор

Высокий двигатель с большим ходом поршня снижал тенденцию к вибрациям благодаря установке крупных резиновых опор. Предлагались версии с одно- и двухкамерным карбюратором. Двухкамерная версия, опция L11, также включала в себя измененный распределительный вал для увеличения мощности. Перегрев был серьезной проблемой для этого двигателя, поскольку блок цилиндров имел конструкцию открытой деки, и сильный перегрев мог привести к деформации гильз цилиндров и их отрыву от прокладки головки блока, вызывая утечку охлаждающей жидкости в цилиндры и задиры на стенках цилиндров. Поддержание надлежащего уровня масла и охлаждающей жидкости было критически важно для надежной работы двигателя. Двигатель был оснащен датчиком давления масла, который отключал первичную систему зажигания при падении давления масла ниже определенного уровня во время работы, тем самым останавливая двигатель и предотвращая его повторный запуск до восполнения уровня масла или устранения механической причины низкого давления масла. Дилеры Chevrolet установили расширительный бачок системы охлаждения, индикатор низкого уровня охлаждающей жидкости и продлили гарантию на двигатель Vega до 80 467 км. В 1976–1977 годах двигатель получил новую конструкцию головки блока цилиндров, включающую гидравлические толкатели вместо регулировочных винтов клапанов, улучшенные каналы охлаждения, более долговечные сальники клапанов, переработанный водяной насос и термостат, а также пятилетнюю гарантию на двигатель в объеме 96 560 км пробега. Название двигателя было изменено на Dura Built 140. В 1975–1977 годах двигатель Vega устанавливался в качестве стандартного оборудования на Pontiac Astre и Chevrolet Monza. Из вариантов кузова H для Monza, Pontiac Sunbird в 1976 году получил модернизированный двигатель Dura Built 140 Vega, а Oldsmobile Starfire предлагал его в 1976–1977 годах. Двигатель Cosworth Vega производился в 1975 и 1976 годах на базе блока двигателя объемом 2300 куб. см. Ход поршня был уменьшен до , что дало объем , двигатель оснащался 16-клапанной алюминиевой головкой блока цилиндров, двумя верхними распредвалами (DOHC), коваными компонентами и жесткими толкателями. Он развивал мощность и крутящий момент .

Алюминиевый блок двигателя

Исследовательские лаборатории GM работали над алюминиевым блоком цилиндров без рубашки охлаждения с конца 50-х годов. Главным стимулом была стоимость. Отказ от литых вкладышей цилиндров позволил бы сэкономить 8 долларов за единицу – значительную сумму в то время. Компания Reynolds Metal Co. разработала гиперевтектический алюминиевый сплав A 390, состоящий из 77% алюминия, 17% кремния, 4% меди, 1% железа и следов фосфора, цинка, марганца и титана. Сплав A 390 подходил для высокоскоростного литья под давлением, что делало блок Vega менее дорогим в производстве, чем другие алюминиевые двигатели. Компания Sealed Power Corp. разработала специальные хромированные поршневые кольца для двигателя, имевшие усеченную форму для предотвращения задиров. Основные работы проводились под руководством Эделла Джекобсона из GM Engineering, но окончательная производственная инженерная доработка была завершена Chevrolet. Блок цилиндров Vega отливался в Массене, штат Нью-Йорк, на том же заводе, который производил двигатель Chevrolet Turbo Air 6 для Corvair. Расплавленный алюминий транспортировался с заводов Reynolds и Alcoa в литейный цех внутри термоизолированных цистерн-полуприцепов с завода через дорогу. Блок отливался с использованием процесса ACCURAD. Процесс литья обеспечивал равномерное распределение мелких первичных частиц кремния примерно одинакового размера. Чистый кремний обеспечивает твердую и износостойкую поверхность, имея твердость 7 по шкале Мооса, как у кварца, в то время как алмаз имеет твердость 10. Блоки выдерживались в течение 8 часов при определенной температуре для достижения стабильности размеров. Техническим прорывом блока являлся прецизионный метод литья под давлением, используемый для его производства, и кремниевый сплав, обеспечивающий совместимую поверхность цилиндров без вкладышей. Перед отправкой в Тонаванду блоки пропитывались силикатом натрия, где их обрабатывали через внешнюю кожу. С завода в Массене отлитые блоки двигателей отправлялись в виде сырых отливок на завод Chevy Tonawanda Engine в Тонаванде, штат Нью-Йорк. Там они подвергались сложным операциям травления и механической обработки. Поверхности цилиндров были грубыми и подвергались обычной предварительной и окончательной шлифовке, а затем обрабатывались новым электрохимическим методом. Травление удаляло примерно определенный объем алюминия, обнажая частицы чистого кремния, которые формировали поверхность цилиндра. При законченном весе блок весит меньше, чем чугунный блок четырехцилиндрового двигателя Chevy II. Для предотвращения задиров требовалось нанесение гальванического покрытия на юбки поршней, создающее твердую железную поверхность, контактирующую с кремнием блока. Покрытие представляло собой четырехслойный электролитический процесс. Первый слой – тонкий слой цинка, за которым следовал очень тонкий слой меди. Третий и основной слой – твердое железо толщиной определенного размера. Последний слой – тонкий слой олова. Цинк и медь необходимы для адгезии железа, а олово предотвращает коррозию до сборки поршня в двигатель. Гальванизация поршней выполнялась на автоматической линии, состоящей из 46 операций. С завода в Тонаванде двигатели отправлялись на сборочный завод Chevrolet в Лордстауне, штат Огайо. Эделл Джекобсон из GM Engineering указал на одну из ранних проблем с необъяснимыми задирами и обнаружил, что избыточное давление на хонинговальные головки приводило к растрескиванию кремния. Необходимость разработки и фактического производства двигателя была обусловлена графиком программы. Он сказал: "Мы пытались одновременно вывести продукт в производство и изучить технологию. И давление становится очень, очень сильным, когда это происходит. Проблема с давлением на хонингование была решена до того, как двигатели покинули завод, затронув только предсерийные двигатели".
Год1 баррель2 баррельмощность крутящий моментмощность крутящий моментл.с.кВтН·мл.с.кВтН·м197190671361841108213818719728060121164906712116419737556115158563122165197475561151585631221651975785812016387651221651976705210714584631131531977 8463117159Примечание: Значения, выделенные курсивом, являются валовыми значениями мощности по стандарту SAE.

GM Research Labs had been working on a sleeveless aluminum block since the late '50s. The incentive was cost. Engineering out the four cylinder's block liners would save $8 per unit — a substantial amount of money at the time. Reynolds Metal Co. developed a hypereutectic aluminum alloy called A 390, composed of 77 percent aluminum, 17 percent silicon, 4 percent copper, 1 percent iron, and traces of phosphorus, zinc, manganese, and titanium. The A 390 alloy was suitable for faster production diecasting which made the Vega block less expensive to manufacture than other aluminum engines. Sealed Power Corp. developed special chrome plated piston rings for the engine that were blunted to prevent scuffing. Basic work had been done under Eudell Jackobson of GM engineering, but final production engineering work was finished by Chevrolet. The Vega engine block was cast in Massena, New York, at the same factory that had produced the Chevrolet Turbo Air 6 engine for the Corvair. Molten aluminum was transported from Reynolds and Alcoa reduction plants to the foundry, inside Thermos like insulated tank trailers from the factory across the street. The block was cast using the ACCURAD process. The casting process provided a uniform distribution of fine primary silicon particles approximately in size. Pure silicon provides a hard scuff and wear resistant surface, having a rating of 7 on the mohs scale of hardness, the same as quartz, as compared to diamond which is 10. The blocks were aged 8 hours at to achieve dimensional stability. The technical breakthroughs of the block lay in the precision die casting method used to produce it, and in the silicon alloying which provided a compatible bore surface without liners. Before being shipped to Tonawanda, the blocks were impregnated with sodium silicate, where they were machined through the outer skin. From Massena, the cast engine blocks were shipped as raw castings to Chevy's Tonawanda Engine plant in Tonawanda, New York. Here they underwent the messy etch and machining operations. The cylinder bores were rough and finish honed conventionally to a finish then etched by a then new electro chemical process. The etching removed approximately of aluminum leaving the pure silicon particles prominent to form the bore surface. With a finished weight of , the block weighs less than the cast iron block in the Chevy II inline 4. Plating the piston skirts was necessary to put a hard iron skirt surface opposite the silicon of the block to prevent scuffing. The plating was a four layer electro plating process. The first plate was a flash of zinc followed by a very thin flash of copper. The third and primary coating was hard iron, thick. The final layer was a flash of tin. The zinc and copper were necessary to adhere the iron while the tin prevented corrosion before assembly of the piston into the engine. Piston plating was done on a 46 operation automatic line. From Tonawanda, the engines went to the Chevrolet assembly plant in Lordstown, Ohio. Eudell Jackobson of GM engineering pointed out one of the early problems with unexplained scuffing and discovered excessive pressure on the bore hones was causing the silicon to crack. This need to both develop and actually manufacture the engine was a product of the program schedule. He said, " We were trying to put a product into production and learning the technology simultaneously. And the pressure becomes very, very great when that happens. The hone pressure problem was solved before engines actually went out the door, affecting pre production engines only." Year1 barrel2 barrelpowertorquepowertorquehpkWlb·ftN·mhpkWlb·ftN·m19719067136184110821381871972806012116490671211641973755611515685631221651974755611515685631221651975785812016387651221651976705210714584631131531977 8463117159Note: Entries in italics are SAE gross power values.