Газогенераторные автомобили ГАЗ-42 и ЗИС-21
Грузовики на твёрдом топливе
За всю историю существования автомобильных двигателей внутреннего сгорания, они имели несколько разновидностей систем питания. Идея использования различных видов топлива для одних и тех же силовых установок, пришла на автомобильный транспорт с железной дороги.
В нашей стране, ещё со времён царя-батюшки, паровозы отапливались углём, сырой нефтью и дровами, в зависимости от того, в каких регионах какого топлива было больше, и где оно было дешевле. В годы Советской Власти, на железнодорожный транспорт пришло мазутное и торфяное отопление, а в среднеазиатских республиках дело дошло и до брикетов из стеблей саксаула.
Автомобили с газогенераторными установками получили наибольшее распространение в первую очередь в северных и восточных, «лесных» районах СССР, однако, как мы увидим дальше, было оборудование и для работы на торфе, буром угле, коксе…
На первой иллюстрации статьи помещена фотография газогенераторного автомобиля ЗИС-21. Она и даёт наглядное представление о том, почему газогенераторы являлись привилегией грузовиков. Весьма массивное и объёмное специфическое оборудование можно было размещать в основном на грузовом шасси, частично за счёт снижения полезной грузоподъёмности, а отчасти – и за счёт уменьшения размеров кузова, либо кабины. Кстати, не зря дано и следующее фото «3/4 справа»:
По размерам правой двери читатель может видеть, насколько была «усечена» кабина.
В 30-х годах были эксперименты с газогенераторными легковыми машинами ГАЗ М-1, но закончились они, по сути дела, ничем. Во-первых, за редким исключением, такие машины полагались лишь чиновникам в крупных городах, а там и с бензином особых проблем не было, и кроме того, «эмок» — то, на весь СССР, было сделано менее 63 тыс. штук. А во-вторых, из соображений компактности, на подобных машинах можно было использовать лишь газогенераторы так называемого «горизонтального» процесса горения, (см. ниже). А такие установки и для грузовиков были не лучшим вариантом.
О газогенераторных автобусах, в СССР вообще речи не было, если где в других странах они и применялись. «Против» было несколько технологических и эксплуатационных причин, разбирать которые мы здесь не будем. Укажем лишь на то, что и в городах-то больших пассажирских машин не хватало, куда уж отправлять их в глубинку, поближе к дровам и торфу…
В автомобильных газогенераторах применялась древесина в различных видах, (чурки, поленья, щепа), древесный уголь, чёрный и бурый каменные угли, кокс, торф. Но все эти виды топлива давали лишь низкокалорийные генераторные газы, которые по этому показателю уступали бензину. А потому моторы машин ЗИС и ГАЗ теряли в мощности. Но это был не самый плохой вариант замены нефтяного горючего. Не только по стоимости топлива, как таковой. Но и по его запасам в тех районах, куда доставка бензина в больших объёмах предполагала существенное увеличение транспортных расходов.
Не забудем так же, и то, что газогенераторные грузовики выпускались в основном для тех районов страны, где не было железнодорожных и водных путей для доставки больших партий жидкого топлива. А то, что газогенераторные машины в динамике проигрывали таким же бензиновым вариантам, то 60-80 лет назад, это было не самым главным.
При всех описанных преимуществах газогенераторов, их существенным недостатком являлось то, что для каждого конкретного вида топлива, подчас требовалось и своё отдельное их устройство, хотя и были созданы универсальные многотопливные установки, которые по эффективности проигрывали специализированным. Это ведь не паровозная топка, где всё равно, какой вид топлива сжигать, лишь бы вода в котле превращалась в пар.
Это вам и не корректировка угла опережения зажигания октан-корректором, в зависимости от марки бензина. Напомним читателям достаточно известный исторический факт. Чем ниже степень сжатия обычного карбюраторного двигателя, тем более «всеядным» является мотор. Например, довоенные моторы ЗИС и ГАЗ, со степенью сжатия 4,8 – 5,3 ед., работавшие на А-56, а в жару даже и на керосине, «дожились» и до бензинов А-76 и А-80. Да и доныне на праздниках Победы можно увидеть фронтовые трёхтонки и полуторки, идущие своим ходом.
Работа газогенераторной установки
Работа газогенераторной установки заключалась в превращении твёрдого топлива в газ, который и поступал в цилиндры. Наиболее оптимальным видом топлива для рассматриваемой техники, из древесных топлив являлись дуб и берёза. Лучшим угольным топливом был бурый уголь, как менее гигроскопичный, и дававший большой выход газа.
Типовая газогенераторная установка автомобиля ЗИС-21 показана на рисунке ниже. Она состояла из собственно газогенератора 1, очистителя-охладителя 5, тонкого очистителя 4, смесителя 2, и электровентилятора 3.
В верхнюю часть газогенератора, бункер, загружалось подготовленное топливо, (мелкие древесные чурки, щепа, мелкий уголь). Под бункером располагался топливник, где происходило сгорание топлива. По мере сгорания осуществлялась «автоматическая подача» нового топлива под действием его собственного веса. Газогенератор устанавливался по левому борту грузовика.
В топливнике происходило образование окиси углерода при просасывании воздуха через горящее топливо. Это просасывание, принудительная тяга, обеспечивалась либо за счёт разрежения в цилиндрах работающего двигателя, либо при подготовке генератора к работе и запуску мотора – электровентилятором. Могла быть и естественная тяга, как у обычной печи, но в этом случае растапливание установки и подготовка машины к движению занимали до часа времени.
Ниже топливника, как и в обычной печке, помещался зольник для отходов сгорания, который каждые 70-100 км. пути нужно было чистить. Но кроме, как шофёру такой машины, это больше никому неудобств не доставляло. На дорогах, где работали «паровозы на резиновом ходу», интенсивность движения была раз в час по обещанию, запретов на съезд на обочину везде и всюду, как сейчас, умные гаишники той эпохи ещё не устанавливали, а блюстители экологии тогда ещё и не родились.
Газ из топливника поступал в рубашку, окружавшую бункер, чем обеспечивался подогрев топлива в бункере, для его просушки. При выходе из генератора, газ имел достаточно высокую температуру, 110-140 градусов, поэтому проходил через секции радиатора, не только снижая температуру, но и очищаясь там же от тяжёлых механических примесей. Не забудем, что засасываемый буквально из-под колёс наружний воздух, не имел на своём пути никаких фильтров. Кроме того, и при сгорании происходит унос мелких частиц не сгоревшего топлива.
Как происходила очистка? Секции очистителя-теплообменника имели внутренние перфорированные трубы, наподобие устройства обычных глушителей выхлопных систем. Горячий газ расширяясь терял скорость течения, проходя через лабиринты ещё больше тормозился, а примеси отсеивались и оставались на внутренних поверхностях наружных труб теплообменников. Далее газ очищался в так называемом тонком очистителе, («колонна» по правому борту автомобиля), имевшем две последовательные ступени очистки, и работавшем по принципу обычного «сухого» воздушного фильтра карбюратора.
В смесителе, выполнявшем обязанности карбюратора, готовилась газо-воздушная смесь, которая и поступала в цилиндры.
Классификация газогенераторов
Газогенераторы классифицировались по процессу газификации, по методу подвода воздуха для горения топлива и по виду применяемого топлива.
По процессу газификации имелось разделение на работу прямым, обратным, и горизонтальным процессами. При прямом процессе воздух под действием разрежения проходил снизу вверх, как у обычной печи, и образовывал газовое топливо. Едва ли нынешнему читателю могут быть интересны химические формулы – «выкладки» процесса газификации, которые обязательно давались в технической литературе по таким установкам. Поэтому мы и не будем навеивать ему воспоминания, про «школьные годы чудесные» с уроками химии.
У генераторов прямого процесса существовал серьёзный недостаток. В подготовленном газовом топливе присутствовали пары смол, которые, попадая в цилиндры, «забивали» поршни, кольца, клапаны… Дальше думаем, можно не продолжать.
Газогенераторы с обратным процессом существенно уменьшали недостаток устройств, описанных выше. Здесь наружный воздух поступал сразу в зону горения, а затем, за счёт разрежения, опускался вниз. И образовывавшиеся при перегонке смолы сгорали, или разлагались, образуя горючие газы.
Создание газогенераторов с горизонтальным процессом имело целью снижения высоты установок и центров тяжести порожних машин. Подобные установки были бы актуальны в первую очередь для легковых автомобилей. Но они обладали вышеназванными недостатками генераторов прямого процесса, а потому на грузовиках ЗИС и ГАЗ применения не нашли.
По методу подвода воздуха в газогенераторы, думается никого из нынешних читателей такие тонкости — подробности не интересуют. На знание общего устройства и принципов работы газогенераторных установок, отсутствие такой несущественной дополнительной информации не повлияет. Отметим лишь тот достаточно очевидный факт, что в зависимости от мест и направлений подвода воздуха, добивались разных температур горения топлива. А это в свою очередь влекло за собой применение специальных жаропрочных сталей, а то и дополнительного охлаждения водой от штатных систем охлаждения моторов.
По виду применявшегося топлива автомобильные газогенераторы подразделялись на три вида. В установках для древесного топлива, использовалось дерево в разных видах – мелкие наколотые поленья, щепа. В угольных газогенераторах применялись древесный, бурый, каменный уголь и антрацит. Торфяные установки предназначались только для торфа в кусках или брикетах.
Приведённые ниже чертежи устройств подтверждают то, что установки изготавливались в зависимости от температур горения, характеристик процессов, и интенсивности золо — и шлакообразования. А также и то, что для эксплуатации на непредназначенных для них видах топлива, они могли быть малопригодны, если не вообще непригодны.
Выработанный газ нужно было охлаждать ещё и для того, чтобы улучшать наполнение цилиндров, и тем самым избегать лишней потери мощности моторов. Охладители, (по терминологии того времени), газа были известны двух основных типов, трубчатые и радиаторные. Трубчатые охладители применялись на ЗИС-21, а так же и машинах ГАЗ-42, выпускавшихся до 1944 года. Такие охладители работали на принципе конвекции, а потому были достаточно объёмными, и вынуждено крепились к раме под кузовом.
Радиаторные охладители значительно более эффективные, лёгкие и компактные. Они устанавливались перед обычными радиаторами систем охлаждения, и не только обдувались набегающим встречным потоком воздуха, но и «просасывались» вентилятором. В активе таких теплообменников ещё и то преимущество, что значительно уменьшалась общая длинна всех трубопроводов установки, снижалось их сопротивление проходу газа, и несколько повышалась мощность моторов за счёт улучшения наполнения цилиндров.
Выше уже было некоторое упоминание об очистке газа, когда рассматривалось общее устройство газогенераторной установки. Но сейчас нужно вернуться к этому несколько подробнее.
Известны три разновидности газовых очистителей — динамические, поверхностные и жидкостные. Динамическими (инерционными) очистителями на советских грузовиках, являлись уже упоминавшиеся очистители-охладители первой ступени. Поверхностными очистителями являлись упомянутые уже «колонны» по правому борту, имевшие свои, две последовательные ступени более тонкой очистки. Однако на машинах ГАЗ-42, с 1944 года нашли применение жидкостные радиаторные очистители – охладители. Исчезли «колонны» по правому борту и большие подкузовные секции охладителей.
Суть этих нововведений в следующем. Газ имел две последовательные ступени охлаждения и очистки. При каждой ступени он проходил через соты воздушного охлаждения, а потом через слой воды, являвшийся и фильтром, и непосредственным дополнительным контактным охладителем. После чего и поступал в смеситель.
Смесители газогенераторных установок
Смесители газогенераторных установок по своему принципу действия были прямыми аналогами обычных бензиновых карбюраторов, но значительно проще по устройству и безотказнее в работе. Ибо не имели забивающихся жиклёров и тонких каналов регулировки холостого хода, негерметичных топливных клапанов и поплавков. Не требовалась и их регулировка в «карбюраторном» понимании, ни уровня в поплавковой камере, ни винтами качества и токсичности. Конечно, были регулировки приводов воздушных и дроссельных заслонок. Но возможные ошибки при таких регулировках, ни к экономичности, ни к экологии, никакого отношения не имели.
Смесители служили для приготовления газо-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя. Поскольку они, в отличие от карбюраторов, не имели, разумеется, никаких ускорительных насосов, то и динамика разгона у газогенераторного ЗИСа или «газона», едва ли была намного лучше, чем у паровоза. Тем более, и с учётом вышеупомянутой потерей мощности, в сравнении с бензиновыми моторами. Но от этих машин в первую очередь требовалась-то возможность работы на «подножном корму». А «гонки по вертикали» в Сталинскую эпоху были не приняты ещё и среди шофёров легковых машин.
Газовые смесители не вытеснили карбюраторов на одних и тех же машинах, а потому допускали работу одного и того же мотора и от газогенератора, и на бензине. Однако продолжительная работа таких машин на жидком топливе не практиковалась. Связано это было с тем, что низкокалорийное газовое топливо требовало повышенной степени сжатия, а в ту эпоху, широко применявшиеся сорта бензинов при степени сжатия газогенераторных моторов, нередко вызывали детонацию. Поэтому работа на бензине использовалась либо при маневрировании на территории автохозяйств, либо как вспомогательная, для создания разрежения в цилиндрах и тяги при розжиге газогенератора. И, как понимает читатель, у газогенераторных грузовиков были две педали акселератора – газовая и бензиновая.
Газовые смесители условно разделялись на три группы:
Смеситель с параллельными потоками газа и воздуха применялся на автомобиле ЗИС-21. У верхнего фланца была расположена дроссельная заслонка, (смеситель, как и карбюраторы на моторе ЗИС-5 крепился под впускным коллектором), регулирующая количество газо-воздушной смеси. Воздушная заслонка бокового патрубка регулировала состав этой смеси, изменяя подачу свежего воздуха. Генераторный газ поступал через нижний патрубок, и смешиваясь с воздухом над воздушным патрубком, (место слияния потоков показано стрелками), поступал в цилиндры.
Вторая разновидность смесителей – вихревые устройства, применялись на моторах грузовиков ГАЗ-42. Воздух поступал через патрубок 4. При входе в смеситель, он получал вращательное движение, и перемешивался с газом, поступавшем через патрубок3. Качественный состав смеси регулировался заслонкой 1, а количество смеси, подаваемой в цилиндры, — дроссельной заслонкой 2.
Бытовали и смесители с пересекающимися потоками, (как у газогенераторов НАТИ Г-71). Они представляли собой тройник, схема которого «в связке» с карбюратором, наглядно показана на рисунке ниже. Думаем, что читатель сможет самостоятельно провести аналогию назначения заслонок на предложенной схеме. Дроссельная заслонка 1 карбюратора могла использоваться лишь при розжиге генератора.
Пуск двигателя сразу на газе возможен был лишь в том случае, если нормально протекал процесс газификации топлива, обеспечивая подачу газа хорошего качества. А для этого нужно было создать хорошую тягу, обеспечивавшую надлежащие условия для газификации.
При розжиге генератора, как уже было сказано выше, использовалась естественная или принудительная тяга. Для естественной тяги открывали загрузочный люк бункера, и люк зольника, обеспечивая вертикальную тягу, как у самовара. После этого производили растопку, как и у обычной печи. Далее последовательно закрывали сначала зольник, а потом и загрузочный люк бункера. Недостатком розжига естественной тягой, являлась его длительность и загрязнение воздуха печным газом. Достоинством являлось то, что газ имел температуру, близкую к оптимальной, и содержал в себе минимальное количество смол.
Принудительная тяга создавалась разряжением в цилиндрах двигателя, или электровентилятором. С помощью вентиляторов, в частности и запускались газогенераторы машин ЗИС и ГАЗ, при необходимости подготовки их к работе в кратчайший срок. При работе вентилятора, дроссельные заслонки карбюратора и смесителя были закрыты, а газ отводился через «гусь» выпускной трубы вентилятора. «Улитка» вентилятора имела заслонку, отсоединявшую его от газопровода после запуска мотора. Отсасывания газов при розжиге генератора разряжением в цилиндрах двигателя проводилось лишь в крайнем случае, при неисправности вентилятора или невозможности его длительной работы при плохо заряженной АКБ, когда требовался скорейший запуск генератора в работу.
Поскольку при таком способе, когда нормальный процесс газификации ещё не установился, неизбежными были попадания большого количества золы и смол в цилиндры. Карбюраторы включались во впускную систему двигателя параллельно со смесителями, или последовательно. Но второй способ большого распространения не получил, поскольку патрубки и диффузоры бензинового прибора питания, оказывали лишнее сопротивление проходу газо-воздушной смеси в цилиндры. А лучшие результаты дало последовательное включение специального автоматического (!) пускового устройства, уменьшавшего подачу бензина во впускной трубопровод, по мере перехода на газ.
Для пуска двигателя на бензине, закрывалась газовая заслонка 7, воздушная 6 и дроссельная заслонка 5. Посредством дистанционного привода из кабины, поворачивался рычаг 2, открывался топливный кран 1, и поворачивалась шайба 4. Под действием разряжения в цилиндрах, автоматически открывался клапан 3. Бензин подавался через жиклёр 9, кран 1 и клапан 3, и смешиваясь с воздухом, поступавшим через жиклёр 8, проходил через отверстие в шайбе 4 в задроссельное пространство и в цилиндры. Далее, по мере открытия дроссельной заслонки 5, и уменьшения разряжения во впускном коллекторе, клапан 3 закрывался, и прекращал подачу жидкого топлива. Такая система значительно упрощала перевод работы мотора с бензина на газ. Однако, в этом случае, движение автомобиля на бензине, даже в крайне необходимых случаях вряд ли было возможным.
При переводе обычного карбюраторного двигателя на питание генераторным газом, его мощность снижалась на 35-40%. Это вызывалось низкой теплотворной способностью газогенераторного топлива, высокой температурой газо-воздушной смеси, исключавшей хорошее наполнение цилиндров, и значительным сопротивлением проходу газа по всем трубопроводам специальной установки. А потому, приспосабливание бензинового мотора для работы на газе, сводилось к следующим мерам:
- Увеличивалась степень сжатия, так как газ в этом случае допускал работу без детонации.
- Увеличивались углы опережения зажигания, так как газо-воздушная смесь горит медленнее бензиново-воздушной смеси.
- Уменьшались зазоры между электродами свечей с 0,6-0,8 до 0,3-0,4 мм, так как при увеличении степени сжатия, увеличивалось и сопротивление искровому разряду. Однако напомним читателям, что вновь вернулись к первым названым параметрам более современных бензиновых моторов лишь тогда, когда было повышено напряжение в бортовой сети с 6 до 12 вольт, и появились другие катушки зажигания.
- Увеличение степени сжатия потребовало более мощных стартёров, а те, в свою очередь — АКБ повышенной ёмкости.
А перечисленное в пунктах 1,2,3, думаем, даёт ясное понимание того, почему на таких машинах бензин, для обычного движения, был газу не ровня. Однако, просим не путать смену режимов «газ/бензин» у газобаллонных автомобилей. Эта ария уже из другой оперы.
Главным недостатком газогенераторных установок с позиций того времени явились больший вес и объём возимого топлива. Ибо 1 литр бензина был эквивалентен 3 кг. древесных чурок или 1,7 – 2 кг древесного угля.
Мы имеем возможность предложить для сравнения и специфические характеристики газогенераторных машин ЗИС-21 и ГАЗ-42
Автомобиль ЗИС-21: грузоподъёмность 2, 5 т, макс. скорость 45 км/ч
При степени сжатия 7,0, двигатель развивал 45 л.с. при 2400 об./мин. и крутящий момент 20 кгм при 900-1100 об./мин. Газогенераторная установка обратного процесса газификации, рассчитанная на древесные чурки. Возимый запас/расход топлива – 100 кг. Максимальный запас хода по топливу на шоссе -95 км. Имелась разновидность машины ЗИС-Г69 для работы на древесных чурках, торфе, с расходом 120 кг./100 км., и на буром угле, 150 кг./100 км.
Бензобак в моторном отсеке с подачей самотёком. Главная передача от автобуса ЗИС-16, с числом 7,67. Электрооборудование 12 вольт, АКБ 6СТ-144, 2 шт. генератор автобусный, от ЗИС-8, мод.ГА-27, 20А. 250 вт., стартер автобусный МАФ-31, мощностью 1,5 л.с. Кстати, из упомянутой ниже книги следует, что все газогенераторные машины ЗИС имели зажигание от магнето, автономного источника импульсов высокого напряжения, заменявшего собой катушку зажигания и прерыватель-распределитель.
Автомобиль ГАЗ-42: грузоподъёмность 1,2 т., макс. скорость 50 км/ч
При степени сжатия 6,5, мощность составляла 30 л.с. при 2400 об/мин. и крутящий момент 11 кгм при 1200 об/мин.
Газогенераторная установка обратного процесса газификации, для древесных чурок. Имелась разновидность машины ГАЗ-Г59У, для работы на древесных чурках, торфе, и буром угле. Расход топлива на 100 км – 60 кг. древесных чурок для ГАЗ-42 и ГАЗ-Г59У, 75 кг. торфа, или 60-90 кг бурого угля, для последней разновидности машины.
Главная передача с числом 7,50. Электрооборудование 6 вольт, АКБ 3СТ-112
ТТХ газогенераторных автомобилей даны по книге «Эксплуатационно-технические характеристики автомобилей», Издательство Минкомхоза РСФСР, 1954 г.
Заключение
Что сказать в заключение? Проведена самая отдалённая, пусть даже косвенная аналогия между газогенераторным грузовиком и паровозом. Ведь автомобильный двигатель внутреннего сгорания, и паровая машина локомотива – это близкие разновидности кинематически одинаковых тепловых двигателей. Ибо в обеих случаях возвратно-поступательные движения поршней, служат одной и той же конечной цели – вращательному — на ведущие колёса, — переключением пар шестерён в КПП грузовика, или изменением времени отсечки, (степени наполнения паром цилиндров машины), — для данного случая работы силовых установок, думаем не принципиально.
Работа же шофёра газогенераторной машины, отчасти была схожа с работой паровозной бригады из трёх человек. Обязанности по управлению и обслуживанию паровоза в поездке, делились между машинистом, (управление движением и обзор пути с правого «крыла»), его помошником, (отопление паровоза и обзор пути с левого «крыла»), и кочегаром, (подача топлива из тендера в будку, подмена при необходимости помошника на отоплении и вспомогательные обязанности). В случаях же плановых или вынужденных остановок поезда, обслуживание — манипуляции маслёнками, нагнетателями и гаечными ключами, делилось между паровозниками поровну, не взирая на «табели о рангах». А шофёр газогенератора, один был, по поговорке, «И швец, и жнец, и на дуде игрец». И управление автомобилем, и загрузка бункера, и «шуровка» топки, и очистка зольника, а если надо, — то и заготовка в пути недостающего топлива… Шофёрам обычных бензиновых ЗИС-5 или ГАЗ-51, такое, наверное, и в страшных снах не снилось.
Возможно, шофёрам газогенераторных машин и полагались надбавки при оплате труда за совмещение обязанностей, — и за «помошника машиниста», и за «кочегара». Но были ли они в действительности – мы утверждать не можем. А что наиболее достоверно, так то, что привилегией этих водителей была почти постоянная работа на природе, вдали от шума городского…
Эксплуатация газогенераторных машин ЗИС и ГАЗ давно уже стала достоянием истории. Как постепенно уходят в прошлое и карбюраторные системы питания – более простые, надёжные, дешёвые и ремонтопригодные, в сравнении с «электронно-инжекторными наворотами». Но какой суммарный грузооборот имели все газогенераторные грузовики за почти три десятилетия их эксплуатации – не подсчитать уже никому…
Источник статьи: http://trucksreview.ru/zil/gazogeneratornyie-avtomobili-gaz-42-i-zis-21.html