НАТИ | ТМ 1940-06

В статье Ю. Клейнермана рассматривается история развития автомобильных технологий в СССР и вклад Научного автотракторного института. Автор напоминает о первых шагах в создании двигателей внутреннего сгорания и проблеме детонации, которая снижала эффективность работы моторов. Советские инженеры нашли оригинальное решение: использование части выхлопных газов для стабилизации процесса горения, что позволило повысить степень сжатия и сократить расход топлива.

Далее описываются эксперименты с газогенераторными установками, в том числе работа на антраците. Благодаря усовершенствованным конструкциям удалось преодолеть трудности воспламенения твёрдого топлива и добиться стабильной работы автомобиля. Подробно раскрываются методы контроля — измерение давления, влажности и состава газа с помощью специальных приборов, что обеспечивало точность исследований.

Завершающая часть текста показывает широкий спектр проектов института: машины на сжиженном газе, новые модели грузовиков, тракторы и автобусы. Испытания подтвердили надёжность разработок, а использование стандартных деталей упростило модернизацию техники. Вклад НАТИ отмечен государственными наградами, а его разработки стали основой для серийного производства и дальнейшего развития отечественного машиностроения.

---

Инж. Ю. КЛЕЙНЕРМАН

Прототип современного автомобильного двигателя был создай ещё в 1877 г. немецким конструктором Николаем Отто. В его четырёхтактном двигателе внутреннего сгорания рабочая смесь засасывалась в цилиндр, сжималась там поршнем, затем воспламенялась, выталкивая поршень. При обратном ходе поршня из цилиндра удалялись продукты сгорания.

Николай Отто прежде других изобретателей понял, что горючая смесь, всосанная в цилиндр и подвергшаяся предварительному сжатию, совершает большую работу, нежели без сжатия. В своё время это было одним из крупных открытий в технике. Неудивительно, что все последователи Отто, вплоть до современных конструкторов, стремятся повысить степень сжатия горючей смеси в цилиндре двигателя.

Однако этот путь повышения мощности мотора является не таким лёгким. Увеличение степени сжатия горючей смеси сопровождается, как правило, возникновением стуков в моторе. Это явление известно в технике под названием детонации. Появление детонации приводит обычно к падению мощности двигателя, его перегреву и нередко даже к механическим повреждениям. В результате детонация уничтожает все выгоды, которые даёт работа двигателя с высокой степенью сжатия.

Сущность детонации окончательно не изучена до сих пор. Многочисленные экспериментальные и теоретические работы дают, однако, основание заключить, что детонация объясняется быстрым распространением пламени в камере сгорания двигателя. Пламя распространяется при детонации с очень большой скоростью — до 2500—3000 метров в секунду. Было замечено, что уменьшение этой скорости приводит к полному или частичному уничтожению детонации.

*

Вот все, что было известно о детонации инженерам Научного автотракторного института (НАТИ), работающим над проблемой повышения экономичности автомобиля. Впрочем, они знали также, что в присутствии некоторых газов, например азота, водяных паров или углекислоты, пламя в цилиндрах двигателя распространяется более вяло и с меньшей скоростью. Инженеры НАТИ задались вопросом: нельзя ли увеличить количество этих газов в свежей горючей смеси, поступающей в цилиндры двигателя?

Но откуда же взять эти газы? Экспериментаторы нашли прекрасный источник их: в отработанных газах, выходящих из выхлопной трубы автомобильного мотора, содержатся и азот, и углекислота.

Соединив шлангом выхлопную трубу с всасывающей системой мотора, исследователи добились того, что часть отработанных газов возвращалась в цилиндры вместе со свежей смесью. Эффект превзошёл все ожидания. Детонация не появлялась, хотя степень сжатия в цилиндрах двигателя была очень высока.

Этот интересный опыт проделали старший научный работник института т. Мкртумян и техник т. Лазарев. Убедившись, что детонацию можно преодолеть, они предложили повысить степень сжатия в цилиндрах отечественных автотракторных двигателей, используя для этого ценные свойства выхлопных газов как антидетонатора.

Но проблема не была ещё окончательно решена. В цилиндры мотора должно попадать строго определённое количество выхлопных газов; в большом количестве они становятся вредными, нарушая нормальный процесс работы двигателя.

Экспериментаторы справились и с этой задачей. Они создали оригинальный прибор, отвечающий всем условиям эксплуатации автомобиля.

Прибор тт. Мкртумяна и Лазарева состоит из небольшого трубопровода, который соединяет выхлопную трубу со всасывающей системой двигателя. Специальный регулятор служит для изменения количества поступающего в цилиндры выхлопного газа сообразно с режимом двигателя. Регулятор приводится в действие автоматически в зависимости от разрежения во всасывающей системе. Чем больше нагрузка двигателя, тем больше получается разрежение во всасывающей трубе и тем больше выхлопных газов подаётся в цилиндры.

Снабжённая новым прибором, машина расходовала топлива на 12% меньше, чем обычно. Прибор очень прост в изготовлении и при массовом производстве будет стоить не более 15—20 рублей.

Работы по повышению экономичности автомобилей имеют большое народнохозяйственное значение. В Советском Союзе насчитывается около миллиона автомашин. Чтобы «прокормить» эту армию моторов, требуется несколько миллионов тонн бензина в год. Это значит, что даже 1% экономии автомобильного топлива составит внушительную цифру.

*

В различных лабораториях, кабинетах, испытательных станциях НАТИ работает более тысячи инженеров, техников, конструкторов. Конструкторы института создали немало новых машин, необходимых народному хозяйству нашей страны. Среди них — вездеходы, транспортные машины, различные виды прицепов, газогенераторные автомобили и тракторы, работающие на дровах, древесном угле, торфе и полукоксе, дизель-моторы и др. Многие теоретические исследования, расчёты и выводы, сделанные научными работниками института, явились ценным вкладом в современную науку об автомобиле. Расскажем о некоторых последних работах НАТИ.

На протяжении долгого времени многочисленные экспериментаторы стремились создать газогенераторный автомобиль, работающий на антраците. Однако все эти попытки оканчивались неудачей. Ценный горючий материал обладает свойствами, которые, казалось бы, исключают возможность его использования. Он плохо загорается, так как температура воспламенения его гораздо выше, чем у многих других видов твёрдого топлива. Антрацит даёт много золы и, кроме того, содержит значительное количество серы, что совершенно недопустимо для газогенераторного автомобиля.

Но зато это топливо обладает высокой теплотворной способностью,1 куб. метр смеси антрацитного газа с воздухом при горении даёт 500— 650 калорий тепла. Для сравнения можно указать, что теплотворная способность того же количества бензовоздушной смеси, применяемой в обычных автомобилях, составляет около 800 калорий. Но антрацит гораздо дешевле бензина, а запасы этого твёрдого топлива в СССР огромны. Вот почему, несмотря на все неудачи, конструкторы Москвы, Ростова, Харькова, Челябинска настойчиво продолжали эксперименты с газификацией антрацита.

И, наконец, совсем недавно молодой инженер НАТИ Г. Г. Токарев решил эту трудную проблему.

В НАТИ уже раньше был сконструирован газогенератор, работающий та угле и древесных чурках. Процесс превращения твёрдого топлива в газ происходит в нем очень быстро. Оказалось, что этот древесноугольный газогенератор после небольшой переделки может с успехом работать на антраците. Во время скоростной газификации антрацит как бы не успевает проявить свои плохие свойства.

Газогенератор НАТИ, работающий на антраците, прошёл длительные испытания на стенде. Их проводил т. Токарев. На панели стенда располагалось множество приборов, соединённых с различными частями мотора и газогенератора. Эти приборы давали экспериментатору возможность наблюдать во всех деталях сложную картину работы двигателя.

В газогенераторной лаборатории НАТИ. Мотор на стенде.

Допустим, нужно узнать, с какой интенсивностью проходит через отдельные агрегаты газогенераторной установки газ, засасываемый двигателем. Для этой цели служат тонкие и изогнутые стеклянные трубочки, расположенные на панели. Это пьезометры, или приборы, определяющие степень разрежения газов. Один конец трубочки пьезометра сообщается с окружающей атмосферой, а другой специальным отростком соединён с каким-либо местом газогенераторной установки, в котором хотят узнать величину разрежения. Таким образом, пьезометры дают возможность следить за процессами, происходящими во всех важнейших узлах агрегата.

Вот окрашенная жидкость, находящаяся на дне пьезометра, поднимается по одному из ответвлений трубочки. Происходит это в силу разности давлений снаружи и внутри газогенераторной установки. Стенки пьезометра градуированы, и, таким образом, величина разрежения газа может быть легко определена, если разрежение не меньше нормы, значит, газ не встречает сильного сопротивления в установке.

Тонкие стеклянные трубки с окрашенной жидкостью — пьезометры — показывают степень разрежения газа в различных местах газогенераторной установки.

Но вот в одной из трубочек пьезометра цветная жидкость начинает постепенно опускаться; следовательно, в каком-то месте газогенераторной установки разрежение уменьшается. Достаточно взглянуть, куда идёт ответвление от трубки, чтобы сразу найти это место. Оно расположено в данном случае непосредственно за очистителем, в котором газ освобождается от мелких засоряющих его частиц. Очевидно, засорился очиститель. Другой пьезометр, соединённый с местом входа газа в очиститель, показывает нормальное разрежение; следовательно, именно в очистителе возросло сопротивление потоку газа, а тем самым и его давление. Экспериментатор начинает изучать причины, которые привели к засорению очистителя. Оно может быть вызвано неудачной конструкцией очистителя или же оказаться случайным.

Рядом с пьезометрами на панели помещается другой прибор, дающий возможность узнать степень влажности газа. Горячий газ, выходящий из газогенератора, пропускается через змеевик, вокруг которого циркулирует холодная вода. Содержавшаяся в горячем газе влага при охлаждении превращается в воду и стекает в градуированную пипетку. Простой счётчик, находящийся рядом, показывает, какое количество газа прошло через прибор. Этих двух данных достаточно для определения влажности газа. Предположим, что во время опыта через прибор прошло 1000 куб. сантиметров газа, а в пипетке оказалось 80 кубиков воды; следовательно, влажность газа равна 8%. Таким же способом можно определить и содержание в газе пыли. Вместо змеевика в этом случае применяют специальную фильтровальную бумагу, которая улавливает пыль.

Для изучения работы газогенератора очень важно также знать точный состав вырабатываемого им газа. Примерный перечень его составных частей известен. Это углекислота, окись углерода, водород, непредельные углеводороды, азот. Но каково их процентное соотношение? На этот вопрос отвечает газоанализатор. Этот прибор состоит из ряда баллончиков, наполненных химическими веществами — поглотителями. Поглотитель остаётся «равнодушным» к различным химическим элементам и соединениям, кроме одного определённого газа. Этот газ поглотителем жадно впитывается. Один поглотитель «отбирает» только углекислоту, другой — окись углерода, третий — азот и т. д.

Отмеренная порция газа пропускается поочерёдно через каждый баллончик с поглотителем. Предположим, что в мензурке газоанализатора было ровно 500 куб. сантиметров газа. Пропустив несколько раз это количество газа через баллончик, поглощающий углекислоту, экспериментатор замечает, что в мензурке осталось только 450 куб. сантиметров газа. Недостающие 50 куб. сантиметров приходятся на долю углекислоты, которая извлечена из газа поглотителем. Произведя простой арифметический подсчёт, узнаем, что исследуемый газ содержит 10% углекислоты. Подобным же методом можно установить содержание в газе и других веществ.

Сам газогенератор во время испытания устанавливается на весах. Он взвешивается до загрузки топливом и после неё. Разница в весе показывает количество загруженного твёрдого топлива. В дальнейшем при помощи тех же весов можно в любую минуту определить, сколько сырья израсходовано для получения газа.

Для контроля расхода горючего газогенератор установлен на весах.

После того как газогенератор был всесторонне исследован на стенде, приступили к испытаниям его в дорожных условиях. Опытный пробег показал, что автомобиль с установкой НАТИ успешно работает на сухом антраците при различных режимах движения. Машина развивает скорость до 50 километров в час, т. е. примерно такую же, что и обычные газогенераторные автомобили, работающие на дровах или древесном угле. На 100 километров пути автомобиль расходует 36,5 килограмма антрацита. Это значит, что 1,8 килограмма антрацита заменяют 1 литр бензина.

Работники НАТИ много сделали для перевода советского автомобиля на газ. Инженер института Г. И. Самоль сконструировал ряд машин разных типов, работающих на сжиженном газе. Эти машины предназначены для работы в нефтяных районах, где много природного газа. Газобаллонные грузовики, легковые машины и автобус конструкции т. Самоля в течение месяца испытывались на горных дорогах Чечено-Ингушетии, а затем совершили пробег Грозный—Ростов—Харьков—Курск—Москва общим протяжением в 2300 километров. Испытания подтвердили отличные качества новых машин. Все они переданы на автомобильные заводы в качестве образцов для серийного производства.

Другой инженер института, С. Г. Коссов, является автором конструкции газогенераторного автомобиля «Г-42». В текущем году на Горьковском автозаводе имени Молотова началось массовое производство этой машины.

*

Конструкторы НАТИ нашли способ превратить обычный грузовой автомобиль «ЗИС-5» с задними ведущими колёсами в машину, у которой мотор приводит в действие все четыре колеса. Такой автомобиль обладает лучшей проходимостью.

Грузовой автомобиль «ЗИС-5» с четырьмя ведущими колёсами. Переделка машины произведена по методу НАТИ.

Переделка грузовика не особенно сложна: вместо передней его оси устанавливается задний мост, взятый с автомобиля «ГАЗ-АА». Конструкторам НАТИ удалось таким образом повысить проходимость автомобиля, используя стандартные детали.

Образец такого реконструированного автомобиля был испытан на опытном поле института. Машина брала крутые подъёмы и спуски, преодолевала канавы и другие препятствия, нарочно устроенные на этом поле.

На опытном поле НАТИ искусственно созданы условия бездорожья. Автомобили во время испытаний преодолевают здесь подъёмы, канавы и другие препятствия.

Проверка тормозов автомашины на крутом спуске.

Автотракторный институт располагает собственным опытным заводом с литейным, кузнечным и механическим цехами. На этом заводе изготовляются первые образцы машин, задуманных конструкторами. Эти машины испытываются, переделываются иногда, десятки раз, пока наконец их не признают годными для передачи в серийное производство.

За успешную работу правительство наградило институт орденом Трудового Красного Знамени.

Сейчас коллектив НАТИ работает над конструированием новых машин. Среди них — вагон-автобус для больших городов, мощные прицепы, паровые автомобили, дизель-моторы, тракторы новых типов и т. д. Все эти машины найдут широкое применение в народном хозяйстве нашей страны.