Двигатели внутреннего сгорания, для которых топливом служит горючий газ, называются газовыми.

По принципу работы газовые двигатели аналогичны двигателям карбюраторным.

Любой карбюраторный двигатель может быть приспособлен для работы на газе путем замены карбюратора смесителем, в котором происходит приготовление газо-воздушной смеси.

С другой стороны, наличие в генераторном газе пыли, а иногда и сернистых соединений увеличивает абразивный и коррозионный износ трущихся поверхностей деталей двигателя, в связи с чем при недостаточно совершенной очистке генераторного газа износ двигателя может быть больше, чем при работе на бензине.

Основным недостатком генераторного газа является его низкая теплотворность (1150—1350 ккал³/м), а также низкая теплотворность газо-воздушной смеси (550—610 вместо 830—850 ккал/м³ для бензино-воздушной смеси).

В результате этого, а также .вследствие уменьшения коэффициента наполнения двигателя и индикаторного к. п. д. литровая мощность двигателей газогенераторных автомобилей обычно не превышает 7—13 л. с., в то время как для бензиновых двигателей она равна 13—30 л. с.

СМЕСИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА

Выше указывалось, что приготовление горючей смеси из генераторного газа и воздуха происходит в смесителе.

На фиг. 95 показаны три типа обычно применяемых смесителей. На схеме (фиг. 95, а) изображен простейший двухструйный смеситель — тройник с пересекающимися потоками газа и воздуха. Количество засасываемой в двигатель смеси регулируется дроссельной заслонкой 1, а качество смеси — воздушной заслонкой 2, которая изменяет количество поступающего в смеситель воздуха.

Обычно такая заслонка связана с рычагом, установленным на рулевой колонке автомобиля, и регулируется водителем от руки. В этом отношении смеситель является менее совершенным прибором, чем карбюратор, в котором качество смеси поддерживается автоматически.

На схемах (фиг. 95, бив) показаны эжекционные смесители. В первом из них (фиг. 95, б) газ подводится внутрь корпуса 3 смесителя через сопло 4, а воздух засасывается через кольцевой зазор вокруг сопла.

Во втором смесителе (фиг. 95, в) из центра подается воздух, а по периферии — газ.

Сопротивление этих смесителей несколько меньше, чем. смесителя, показанного на фиг. 95, а, так как в них используется эжектирующий эффект.

На фиг. 96 показано влияние угла открытия воздушной заслонки смесителя на мощность двигателя. Из диаграммы видно, что наиболее выгодный состав смеси, которому обычно соответствует коэффициент избытка воздуха α = 1,05 ÷ 1,1, в рассматриваемом случае был получен при угле открытия воздушной заслонки 22,7°. Как уменьшение этого угла (обогащение смеси), так и его увеличение (обеднение смеси) приводят к падению мощности двигателя. При этом работа на богатых смесях характеризуется высокой устойчивостью (почти все точки замеров мощности лежат на кривой), а на бедных смесях она крайне неустойчива (точки разбросаны).

При работе на богатых смесях в цилиндрах двигателя происходит неполное сгорание, при котором изменение качества генераторного газа почти не влияет на тепловой эффект заряда, так как всегда имеется избыток топлива; при работе же на бедных смесях малейшее изменение качества газа приводит вследствие недостатка топлива и наличия избыточного кислорода к изменению теплотворности рабочей смеси, а следовательно, и к изменению мощности двигателя.

Наиболее выгодная величина открытия воздушной заслонки (фиг. 97) устанавливается в зависимости от нагрузки двигателя и скорости вращения коленчатого вала.

По мере увеличения числа оборотов при работе с большой нагрузкой требуется меньший угол открытия заслонки, а при работе на холостом ходу, наоборот, больший. Таким образом, на больших оборотах величина наиболее выгодного угла открытия воздушной заслонки почти не зависит от нагрузки, в то же время как на малых оборотах с уменьшением нагрузки необходимо прикрывать воздушную заслонку.

В эксплуатации при переходе на режим холостого хода воздушную заслонку обычно прикрывают еще больше, т. е. работают на богатой смеси. Это не только обеспечивает более устойчивую работу двигателя, но и более стабильную работу газогенератора, так как на холостом ходу при работе на богатой смеси значительно увеличивается отбор газа и, следовательно, в газогенераторе поддерживается необходимый тепловой режим (фиг. 98). Так, например, если двигатель, работая на холостом ходу, на нормальной смеси при 600 об/мин, обусловливает потребление газогенератором воздуха в количестве 7 м³/час, то при предельно обогащенной смеси расход воздуха газогенератором увеличивается до 13 м³/час, т. е. почти в 2 раза. Для того чтобы обеспечить примерно такой же расход воздуха при работе двигателя на нормальной смеси, потребовалось бы увеличить число оборотов холостого хода до 1100—1200 в минуту.

Так как при вождении автомобиля приходится часто «сбрасывать газ» и переводить работу двигателя на холостой ход, необходимость частого изменения положения воздушной заслонки смесителя затрудняет работу водителя и требует от него определенного навыка в быстром подборе требуемого угла. Чтобы избежать этого, в современных конструкциях смесителей применяют автоматическое обогащение смеси на режиме холостого хода путем устройства так называемого байпаса (обводкой трубки).

На фиг. 99 показано подобное устройство, конструкции НАТИ, смонтированное на двигателе ГАЗ-42.

К смесителю 1 газа присоединена газоподводящая труба 2, снабженная обратным клапаном 3. Байпасная трубка 4 холостого хода соединяет газоподводящую трубу со впускным трубопроводом двигателя через клапан 5, который при помощи пружины удерживается в закрытом положении.

При работе двигателя под нагрузкой газо-воздушная смесь нормального состава получается, как и обычно, в смесителе 1. Вследствие разрежения, создаваемого в смесителе, обратный клапан 3 находится в открытом положении. При сбрасывании нагрузки и переводе работы двигателя на холостой ход путём полного закрытия дроссельной заслонки смесителя необходимый для питания двигателя газ поступает через байпасную трубу 4 в корпус клапана 5, где через отверстие, имеющееся в стенке корпуса, к газу примешивается некоторое количество воздуха. Образовавшаяся обогащенная рабочая смесь через клапан 5 поступает во впускной трубопровод двигателя.

Открытие клапана при переводе работы двигателя на холостой ход совершается автоматически под действием повышенного разрежения, создаваемого во впускном трубопроводе при полном закрытии дроссельной заслонки смесителя. 

Обратный клапан 3, находясь в закрытом состоянии, препятствует проходу воздуха из смесителя 1 в байпасную трубку 4 и устраняет, таким образом, произвольное обеднение смеси при работе двигателя на холостом ходу.

Приведенная конструкция байпаса имеет тот недостаток, что шток клапана довольно быстро загрязняется смолистыми отложениями и пылью, содержащимися в некотором количестве в очищенном генераторном газе, и клапан перестает работать.

Более совершенная в этом отношении конструкция, предложенная в НАТИ инж. Г. Г. Терзибашьян, изображена на фиг. 100.

В этой конструкции трущаяся часть штока клапана 1 изолирована от соприкосновения с газом резиновой диафрагмой 3. При закрытом положении дроссельной заслонки смесителя повышенное разрежение, возникающее во впускном трубопроводе двигателя, передается в полость 2 и, воздействуя на диафрагму 3, преодолевает натяжение пружины 4. В результате этого клапан 1 открывается. Воздух, необходимый для образования обогащенной смеси, поступает в полость 2 через отверстие 5, расположенное в стенке клапанной коробки.

Насколько эффективно применение байпаса, видно из рассмотрения диаграммы, приведенной на фиг; 101, где показано изменение по времени числа оборотов вала на холостом ходу двигателя ГАЗ-42 при работе с байпасом и без него на генераторном газе из древесных чурок.

Автомобиль, на котором был установлен двигатель с газогенераторной установкой, перед замером предварительно проходил 15-километровый участок со скоростями 20, 40 и 60 км/час.

Во всех трех случаях работа двигателя, оборудованного байпасом, была значительно более устойчивой, чем при работе с обычным стандартным смесителем без байпаса.

В то время как при стандартном смесителе число оборотов вала двигателя при холостом ходе непрерывно снижалось и двигатель после 8—10 мин. прекращал работу, при работе с байпасом число оборотов на протяжении 30 мин. и более почти не изменялось.

Было установлено, что двигатель может устойчиво работать при холостом ходе до 1¹/₂ час.

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ МОЩНОСТИ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Бензиновые двигатели, переведенные на генераторный газ без каких-либо переделок, за исключением замены карбюратора смесителем, теряют от 40 до 50% своей мощности.

Как известно, мощность четырехтактного двигателя может быть выражена следующей формулой:

Где р_е—среднее эффективное давление в кг/см²;

V_л — рабочий объем двигателя (литраж) в л;

п — число оборотов коленчатого вала двигателя в минуту.

Среднее эффективное давление р_е, в свою очередь, может быть представлено в виде

где h_u — теплотворность смеси в ккал/кг;

γ_см — удельный вес смеси в кг/м³ при условиях окружающей среды, а при наличии нагнетателя — за нагнетателем;

η_V — коэффициент наполнения двигателя;

η_i — индикаторный к. п. д.;

ρ_тр — среднее давление трения в кг/см².

Из формулы (18) видно, что при понижении теплотворности h_и газо-воздушной смеси уменьшается величина среднего эффективного давления. Кроме того, величина коэффициента наполнения двигателя η_V и индикаторного к. п. д. η_i при работе двигателя на генераторном газе также уменьшается.

Коэффициент наполнения η_V уменьшается как вследствие более высокой температуры газо-воздушной смеси, так и за счет дополнительного сопротивления газогенераторной установки, которая в ряде случаев создает большее сопротивление на линии впуска, чем карбюратор.

Индикаторный к. п. д. уменьшается потому, что газо-воздушная смесь имеет меньшую скорость сгорания, а продукты горения газо-воздушной смеси имеют меньший объем по сравнению со свежей смесью (коэффициент молекулярного изменения уменьшается). Среднее давление трения р_тр при работе на генераторном газе практически остается таким же, как и при работе на бензине.

Таким образом, уменьшение трех важнейших параметров (теплотворности h_u горючей смеси, коэффициента наполнения η_V и индикаторного к. п. д. η_i) снижает величину среднего эффективного давления на всем диапазоне числа оборотов, что приводит к соответствующему падению мощности и смещению ее максимума на кривой внешней характеристики в сторону меньшего числа оборотов (фиг. 102).

Для повышения теплотворности газо-воздушной смеси можно применять присадку к ней некоторого количества жидкого топлива в момент полного открытия дроссельной заслонки смесителя (экономайзерная присадка).

В этом случае смеситель соединяется с карбюратором (фиг. 103), дроссельная заслонка которого начинает открываться после того, как дроссельная заслонка смесителя откроется примерно на ¹/₆ полного угла. 

За оставшуюся ¹/₆ часть угла до полного открытия дроссельной заслонки смесителя рычаг последней, воздействуя на дроссельную заслонку карбюратора, открывает ее полностью. В случае присадки 60% жидкого топлива, считая за 100% нормальный расход топлива бензиновым двигателем, мощность газового двигателя составляет примерно 87% мощности бензинового двигателя (фиг. 104).

Эксплуатационный расход жидкого топлива в случае экономайзерной присадки обычно составляет 20—30% нормального, так как двигатель в нормальных условиях эксплуатации редко работает на режиме максимальных нагрузок, когда дается присадка жидкого топлива.

Так как этот метод все же требует расхода значительного количества бензина, что противоречит основной идее применения газогенераторных автомобилей, работающих на местных видах твердого топлива, то он не получил значительного распространения.

Возможными и применяемыми в настоящее время методами повышения мощности двигателей газогенераторных автомобилей являются увеличение коэффициентов η_i, η_V и повышение плотности смеси γ_см путем наддува перед ее поступлением в двигатель.

Известно, что величина индикаторного к. п. д. зависит от степени сжатия и формы камеры сгорания (фиг. 105):

где μ—коэффициент, характеризующий камеру сгорания;

ε — степень сжатия;

m — показатель, который можно принять равным 1,23.

Так как газо-воздушная смесь обладает высокими антидетонационными качествами, степень сжатия в газовых двигателях обычно повышают до 6,5—9,0.

Дальнейшее повышение степени сжатия затрудняет провертывание коленчатого вала двигателя при запуске, требует установки на двигателе более мощного и сложного электрооборудования и увеличивает напряжение и износ в деталях шатунно-кривошипного механизма.

На фиг. 106 приведены индикаторные диаграммы двигателя при его работе на бензине с низкой степенью сжатия и на генераторном газе с высокой степенью сжатия. Несмотря на меньшее среднее индикаторное давление, рабочее давление газов в цилиндрах газового двигателя больше, чем бензинового, за счет высокой степени сжатия.

Вследствие большей величины давления конца сжатия в газовых двигателях приходится при существующем электрооборудовании уменьшать зазор между электродами cвечей до 0,3—0,4 мм для получения надежной искры.

На фиг. 107 показано изменение формы камеры сгорания двигателя ГАЗ-А при переводе его на генераторный газ, а на фиг. 108 приведены внешние характеристики этого двигателя при работе на генераторном газе с различными степенями сжатия.

В результате применения головки блока цилиндров со степенью сжатия ε = 7,4 мощность двигателя при работе на газе получается только на 21 % меньше, чем при работе на бензине, в то время как при степени сжатия ε = 4,2 мощность падает на 44%.

Следует отметить, что при нижнем расположении клапанов повышение степени сжатия выше 8—8,5 обычно сопровождается снижением коэффициента наполнения, так как при этом значительно уменьшаются проходные сечения в камере сгорания.

На фиг. 109 показан внешний вид двигателя ГАЗ-А со стороны впускного трубопровода, переоборудованного для работы на генераторном газе с минимальными изменениями, т. е. только путем замены головки блока цилиндров и установки смесителя. Последний расположен между впускной трубой и стандартным карбюратором, который оставлен для пуска двигателя на бензине и маневрирования автомобиля в гараже с холодным газогенератором. Переоборудованный таким образом двигатель развивает 28 вместо 40 л. с. на бензине. Следовательно, падение мощности составляет 30%. Повышение мощности газовых двигателей путем увеличения коэффициента наполнения достигается как за счет устранения подогрева газо-воздушной смеси, так и за счет уменьшения сопротивлений во впускной системе.

ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955