Коэффициент наполнения выражается следующим уравнением теплового расчета:

где ε — степень сжатия;

р_а — давление впуска;

р₀ и Т₀ —давление и абсолютная температура окружающей среды (а при наличии нагнетателя — за нагнетателем);

?Т — температура подогрева с учетом охлаждения газа при смешении его с воздухом в смесителе;

γ — коэффициент остаточных газов;

Т_r—абсолютная температура остаточных газов.

Как следует из приведенного уравнения, чем больше будет давление впуска р_а и меньше температура подогрева ?Т, тем больше будет значение коэффициента наполнения η_V.

Уменьшение коэффициента наполнения, а значит и мощности двигателя, с увеличением подогрева газо-воздушной смеси не следует смешивать с падением мощности вследствие поступления газа при высокой температуре, когда помимо уменьшения плотности заряда происходит снижение его теплотворности за счет присутствия несконденсировавшихся водяных паров (обычно влажность поступающего в двигатель газа соответствует точке росы при данной температуре).

На фиг. 110 показано влияние температуры газа на мощность двигателя. Увеличение температуры газа с 20 до 70° снижает мощность на 25%, в то время как при той же температуре подогрева смеси уменьшение мощности составляет примерно 12%.

Для устранения подогрева и уменьшения потери давления при впуске в современных газовых двигателях впускной трубопровод отделяют от выпускного и делают его большего сечения. Это дает дополнительное увеличение мощности на 5% по отношению к мощности, развиваемой двигателем на газе без этих переделок.

Указанное мероприятие при одновременном повышении степени сжатия двигателя до 6,5—7 дает возможность иметь мощность при работе на генераторном газе только на 20—30% меньшую, чем на бензине.

Газовые двигатели ГАЗ-42 и ЗИС-21А переоборудованы из бензиновых двигателей ГАЗ-А и ЗИС-5 с использованием указанных выше переделок.

Двигатель ГАЗ-42 имеет головку блока цилиндров со степенью сжатия ε = 6,5 и отдельный впускной трубопровод увеличенного сечения, к нижнему патрубку которого присоединен смеситель. Пусковой карбюратор установлен сбоку впускного трубопровода. С этими изменениями двигатель ГАЗ-42 развивает при работе на газе мощность 31—32 л. с. при n = 2200 об/мин вместо мощности 40 л. с., развиваемой двигателем ГАЗ-А при работе на бензине.

На фиг. 111 показан двигатель ЗИС-21А, переоборудованный для работы на газе аналогичным способом; он развивает мощность 45—46 вместо 73 л. с. на бензине.

Дальнейшее увеличение мощности переоборудованных двигателей можно получить в результате более серьезных изменений головки блока цилиндров путем перестановки впускного клапана наверх (фиг. 112) и повышения степени сжатия до 8—9.

При этом становится возможным увеличить не только сечение впускного трубопровода, но и проходное сечение выпускного клапана, что наряду с его верхним расположением позволяет значительно повысить величину коэффициента наполнения.

По этому принципу в НАТИ инженерами В. А. Колосовым и М. С. Бурковым была разработана конструкция головки блока цилиндров для переоборудования двигателя ЗИС-5.

На фиг. 113 приведен поперечный разрез двигателя ЗИС-ВК («верхний клапан»). Новая головка блока цилиндров (ε = 8,5) имеет компактную камеру сгорания, расположенную над выпускным клапаном; в верхней части камеры наклонно смонтирована свеча. Подвесной впускной клапан с большим проходным сечением расположен непосредственно над поршнем двигателя. Привод впускных клапанов осуществляется от стандартного кулачкового вала посредством штанг и коромысел. Коромысла качаются на валике, укрепленном на стойках вверху головки, которая закрыта колпаком. Из-за увеличения веса, а следовательно и силы инерции возвратно движущихся масс деталей привода, на впускном клапане установлены две пружины,

Впускной трубопровод увеличенного сечения смонтирован со стороны, противоположной выпускному трубопроводу, что полностью устраняет подогрев газо-воздушной смеси. При этом для размещения впускного трубопровода потребовалось уменьшить высоту масляного фильтра.

Для лучшего отвода воды, охлаждающей головку блока цилиндров, с левой стороны головки установлена дополнительная труба для воды, соединяющая заднюю часть головки непосредственно с выходным патрубком.

Таким образом, при переоборудовании двигателя ЗИС-5 по новому способу требуется замена старой головки блока цилиндров на новую, изъятие из боковой клапанной коробки старых впускных клапанов (с пружинами), установка новых деталей привода и подвесных клапанов, а также незначительная переделка масляного фильтра. Двигатель с такими переделками при работе на газе с газогенераторной установкой ЗИС-21, работающей на древесных чурках, развивал мощность, равную 68,5 л. с. при п = 2400 об/мин.

На фиг. 114 приведена внешняя характеристика этого двигателя. Для сравнения даны внешние характеристики бензинового двигателя ЗИС-5 и газогенераторною двигателя ЗИС-21, переоборудованного обычным методом. В табл. 28 приведен баланс мощности двигателя ЗИС-5 при переоборудовании его с бензина на генераторный газ без всяких изменений и с изменениями, имеющимися в двигателе ЗИС-ВК.

Из таблицы видно, что основными причинами повышения мощности в данном случае являются высокое значение коэффициента наполнения двигателя η_V = 0,64 и высокая степень сжатия ε = 8,5. Кроме того, дополнительное увеличение мощности происходит за счет меньшей продолжительности сгорания заряда смеси в результате удачной формы камеры сгорания.

Вследствие этого мощность двигателя ЗИС-ВК только на 4,8% ниже, чем мощность двигателя ЗИС-5 при работе на бензине. Литровая мощность двигателя ЗИС-ВК равна 12,3 л. с./л.

Современные бензиновые двигатели имеют довольно высокую степень сжатия (примерно 5,6—6,5) и повышенное число оборотов. Поэтому при переоборудовании этих двигателей с бензина на генераторный газ имеется меньше возможностей для устранения падения мощности, и указанный выше способ перенесения впускного клапана наверх является наиболее эффективным.

Однако даже в этом случае не удается достигнуть мощности, близкой к развиваемой на бензине, и падение мощности составляет от 30 до 35%.

Для повышения мощности двигателей газогенераторных автомобилей применяют также наддув газо-воздушной смеси в цилиндры двигателя или наддув воздуха в газогенератор и смеситель.

При наддуве повышается плотность газо-воздушной смеси, вследствие чего увеличивается величина среднего эффективного давления р_е. В результате этого можно получить значительное повышение мощности двигателя, не прибегая к повышению степени сжатия или другим описанным выше мероприятиям.

Для наддува обычно используются поршневые, коловратные или центробежные нагнетатели, имеющие механический привод или приводимые в действие отработавшими газами двигателя.

По схеме включения нагнетателя наддув может быть осуществлен в двух вариантах:

а) наддув газо-воздушной смеси в двигатель (фиг. 115);

б) наддув воздуха в газогенератор и смеситель двигателя (фиг. 116).

В первом случае нагнетатель включается между смесителем и впускным трубопроводом двигателя. Газогенераторная установка, как и обычно, работает под разрежением, причем вследствие увеличенного расхода газа и большей скорости его прохождения через газогенераторную установку сопротивление последней возрастает. В случае применения этого способа в двигателях газогенераторных автомобилей он имеет тот недостаток, что нагнетатель засоряется пылью и смолой, которые могут содержаться в некотором количестве в газе, и поэтому быстро изнашивается.

Во второй схеме нагнетатель засасывает чистый воздух и подает его в газогенератор и смеситель двигателя. В результате этого газогенераторная установка работает под небольшим избыточным давлением, что исключает возможность вредных подсосов воздуха в газогенератор через неплотности люков и соединений.

Использование для вращения нагнетателя энергии отработавших газов двигателя позволяет значительно сократить затрату мощности на вращение нагнетателя. Обычно такой нагнетатель, соединенный с газовой турбиной в одном агрегате, устанавливают отдельно то двигателя на пути следования отработавших газов к глушителю.

В табл. 29 приведены примерные данные по мощности двигателя при его работе без наддува и с наддувом, осуществленным различными нагнетателями (при одинаковом давлении наддува, примерно, 1,6 кг/см²).

Из приведенных данных видно, что при объемном нагнетателе получается меньший прирост эффективной мощности двигателя, чем при центробежном нагнетателе, так как объемный нагнетатель потребляет больше энергии и обусловливает больший подогрев газа на выходе из нагнетателя.

Наибольший прирост эффективной мощности получается при центробежном нагнетателе с приводом от газовой турбины. Объемный нагнетатель дает меньшее значение прироста максимальной мощности, но величина крутящего момента на средних числах оборотов получается большей, чем при центробежном нагнетателе (фиг. 117). При наличии механического привода это обеспечивает автомобилю лучшую приемистость, чем в случае применения

центробежного нагнетателя, особенно если его привод осуществляется от газовой турбины (в последнем случае эффективность нагнетания, которая зависит от количества проходящих через турбину отработавших газов, на средних оборотах будет ниже, чем на больших).

Если сочетать наддув с повышением степени сжатия или другими рассмотренными выше мероприятиями по повышению мощности, то можно при работе на генераторном газе иметь примерно такую же литровую мощность, как и у бензиновых двигателей.

Пределом, ограничивающим форсирование переоборудованных для работы на газе двигателей, в этом случае будет являться прочность шатунно-кривошипного механизма и тепловая напряженность двигателя.

В ряде случаев целесообразно строить специальные газовые двигатели повышенного литража с усиленными деталями силового механизма и специально приспособленным электрооборудованием (с более мощным стартером и более высоким напряжением на электродах свечей).

ИЗНОС ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

Как уже указывалось выше, при работе автомобильных двигателей на генераторном газе не происходит разжижения смазки жидким топливом, что снижает износ трущихся деталей двигателя.

Однако это положение верно лишь в том случае, если пуск двигателей производится непосредственно на газе, т. е. без применения жидкого топлива. Если же газовый двигатель, имеющий повышенную степень сжатия, будет излишне долго работать на бензине и притом не на холостом ходу, а с некоторой нагрузкой и на повышенном числе оборотов (например, при маневрировании газогенераторного автомобиля в гараже с холодным газогенератором), то износ цилиндров и особенно подшипников двигателя может быть значительно выше, чем у обычного карбюраторного двигателя, работающего на бензине.

Наличие некоторого количества остаточной пыли, а также сернистых соединений, кислот, альдегидов и пр. в очищенном генераторном газе увеличивает износ трущихся деталей двигателя.

Другим фактором, определяющим повышение износа двигателей современных газогенераторных автомобилей, является падение мощности при переоборудовании бензиновых двигателей для работы на генераторном газе.

Малое значение мощности, развиваемой двигателем при работе на генераторном газе, обусловливает более частое пользование низшими передачами при вождении газогенераторного автомобиля, в результате чего среднее передаточное число трансмиссии автомобиля увеличивается и, следовательно, вал двигателя на каждый километр пути сделает большее число оборотов.

В итоге воздействия перечисленных выше факторов износ деталей двигателей газогенераторных автомобилей, как правило, равен или даже несколько превышает износ деталей двигателей бензиновых автомобилей при их эксплуатации в одинаковых условиях. В том случае, если качество очистки генераторного газа очень хорошее, износ газовых двигателей может быть меньше, чем износ бензиновых двигателей.

В табл. 30 сопоставлены средние значения максимального износа деталей двигателей автомобилей ГАЗ, участвовавших в пробеге грузовых газогенераторных автомобилей в 1938 г.

Из таблицы видно, что у газогенераторных автомобилей по таким деталям, как цилиндры и шатунные шейки коленчатого вала, износ получился меньше, чем для таких же деталей бензиновых автомобилей.

В табл. 31 представлены данные по износу цилиндров двигателей автомобиля ЗИС-5 и газогенераторных автомобилей ЗИС-21 и ЗИС-НАТИ-Г-23 при различных условиях эксплуатации.

Из этих данных следует, что при работе автомобиля с прицепом или в тяжелых дорожных условиях износ цилиндров двигателя повышается в 1,5—1,7 раза по сравнению с износом цилиндров при работе автомобиля с нормальной нагрузкой по усовершенствованным дорогам.

При сравнении приведенных цифр можно приближенно определить износ цилиндров двигателя ЗИС-21 при эксплуатации автомобиля с нормальной нагрузкой по хорошим дорогам. Этот износ будет составлять на 10 ООО км пробега

или

т. е. в среднем около 0,06 мм на 10000 км пробега, или 6 мк на 1000 км пробега.

Из сопоставления этих данных также видно, что износ цилиндров двигателя газогенераторного автомобиля ЗИС-21, работающего на древесных чурках и имеющего тонкую очистку газа в очистителе с кольцами, на 15—30% выше, чем износ цилиндров бензинового двигателя ЗИС-5, а износ цилиндров двигателя газогенераторного автомобиля ЗИС-НАТИ-Г-23, работающего на древесном угле (очистка газа производится в матерчатом фильтре), на 4—5% ниже.

Такое соотношение износа цилиндров двигателей газогенераторных автомобилей, работающих на древесных чурках и древесном угле, может быть объяснено тем, что в первом из них в двигатель вместе с газом поступает до 0,12—0,15 г/м³ пыли, в то время как во втором автомобиле, вследствие более высокой степени очистки газа в матерчатом фильтре, количество остаточной пыли в газе не превышает 0,02 г/м³. Но в последнем случае пыль является более сильным абразивом, чем пыль, образующаяся при сгорании древесных чурок, так как содержит больше золы. Этим, очевидно, и можно объяснить сравнительно небольшую разницу в износе цилиндров двигателей названных автомобилей, несмотря на большое различие в количестве остаточной пыли, содержащейся в очищенном газе.

Влияние качества очистки газа на износ деталей двигателей различных типов газогенераторных автомобилей ЗИС, работающих на древесных чурках, показано в табл. 32, которая составлена по данным испытания этих автомобилей, проведенных в 1948 г. в Загорском леспромхозе при работе в тяжелых дорожных условиях на вывозке древесины.

Для испытаний было взято по два автомобиля каждого типа.

Из приведенных данных видно, что значительное уменьшение объема тонкого фильтра (установка НАМИ-Г-78) приводит к резкому увеличению износа деталей двигателя. С другой стороны, можно отметить, что объем колец 65 л для газогенераторов данной производительности является достаточным (установки УралЗИС-1Г и 2Г), так как его увеличение до 95 л в установке ЗИС-21, очевидно, не улучшает качества очистки газа. Несколько большее значение износа деталей двигателей автомобилей ЗИС-21 по сравнению с износом деталей двигателей автомобилей УралЗИС-1Г и 2Г может быть объяснено тем, что последние были оборудованы диклонами, которые могли давать более высокую степень очистки газа от грубой пыли, чем пластинчатые очистители, применяемые в автомобилях ЗИС-21. Кроме того, это может быть также объяснено и различным качеством двигателей испытуемых автомобилей.

При испытаниях в аналогичных эксплуатационных условиях двух газогенераторных автомобилей УралЭИС-352 у одного из них износ цилиндров двигателя составил 0,0565 мм на 10 000 км пробега, а другого 0,127 мм. Эти величины от среднего значения (0,0918 мм по обоим двигателям) отличались более чем на 38% в ту и другую сторону.

Из изложенного выше следует, что износ двигателей газогенераторных автомобилей зависит от качества их изготовления, качества очистки газа и от условий, в которых эксплуатируются автомобили.

ГАЗОГЕНЕРАТОРНЫЕ АВТОМОБИЛИ
КТН Г.Г.Токарев
1955