Принцип работы газогенератора на дровах для автомобиля

Принцип работы газогенератора на дровах для автомобиля

Давным-давно, в 1930-х годах, в нашей стране прошли первые испытания необычных – газогенераторных – автомобилей. Внешне они отличались от обыкновенных тем, что были оборудованы коробчатой конструкцией, стоящей за кабиной, но внутри отличий было гораздо больше, ведь в качестве топлива использовалась деревянные чурки! Выпускались они не от хорошей жизни, поскольку стране не хватало бензина. Поэтому, несмотря на то, что достоинств у таких автомобилей было меньше, чем недостатков, их продолжали производить. В Великой Отечественной, газогенераторные грузовики активно использовались в тылу. Ведь все жидкое топливо шло на фронт, а для гражданского автотранспорта его не хватало.

Содержание:

После войны ситуация со снабжением стала налаживаться, и газогенераторные автомобили стали частью истории. Однако и по сей день встречаются люди, которые пытаются создать подобные устройства своими руками для бытовых нужд, а некоторые умельцы ставят эксперименты над своими машинами, устанавливая на них газогенератор.

Есть ли смысл переоборудовать своего «железного коня»? И как вообще как работает газогенератор на дровах? Эти вопросы мы и рассмотрим в сегодняшней статье.

Принцип работы газогенератора

Вначале будет целесообразно разобраться, какова схема работы газогенераторной установки. Быть может, это знание вам и не пригодится, но если вы всерьез хотите разобраться в данной теме, без этой информации не обойтись.

Полное название установки данного типа звучит как «пиролизный газогенератор». Это устройство предназначено для того, чтобы выделять смесь газов путем пиролиза (термического разложения) дров, торфяных брикетов, древесного угля или иных видов твердого топлива, чтобы потом использовать данную смесь в ДВС в качестве горючего.

Ниже мы рассмотрим принцип работы и устройство газогенераторной установки, в которой в роли топлива используются дрова.

Принцип работы основан на том, что при пиролизе древесины выделяется смесь из нескольких горючих газов. Она состоит из угарного газа, водорода, метана и прочих непредельных углеводородов.

Состав пиролизного газа из древесины:

Кроме того, в ней присутствуют и негорючие соединения, например, углекислый газ и водяной пар.

Для примера: Мы рассчитаем калорийность газа, при использовании в качестве топлива березу.

Q_н р =127,5*28,4%+108,1*3,0%+358,8*18,2+604,4*1,4=11 321,62 кДж/м 3 = 11,3 МДж/м 3

А кому интересно сколько это в кКал/м 3 , тогда необходимо разделить калорийность газа на 4,187. Следовательно Q_н р =2704 кКал/м 3 . Если сравнивать этот показатель с природным газом, то его калорийность порядка 8000 кКал/м 3 .

Однако просто выделить газовую смесь мало, надо еще и сделать так, чтобы она могла быть пригодной в качестве горючего для ДВС. По этой причине в газогенераторе протекает целый технологический процесс, который можно разделить на несколько этапов:

1) На первом из них топливо (в нашем случае – дрова), не сжигается, а термически разлагается из-за дефицита кислорода, который подается в размере 1/3 от нормального количества для горения;

2) На втором происходит удаление летучих частиц, посредством циклона (иначе говоря – сухого вихревого фильтра);

3) Далее происходит охлаждение смеси газов в теплообменнике, который может быть как воздушным, так и жидкостным;

4) Потом охлажденная смесь отправляется на тонкую очистку;

5) В конечном итоге с газ подается в смеситель, а через него попадает в двигатель.

Ниже приведена схема газогенератора промышленного типа, который отличается от автомобильного тем, что у него есть скруббер (дополнительный фильтр грубой очистки), а топливо подается в распределительный бак:

Основным агрегатом, из числа представленных на схеме является, конечно, газогенератор. Внешне он выглядит как колонна в форме цилиндра или параллелепипеда, которая плавно сужается к нижней части. Из корпуса выходят несколько патрубков, через которые поступает воздух и выходит горючая смесь. Кроме того, прорезан лючок, открывающий доступ в зольник. Вверху у газогенератора есть большая крышка, которая открывается во время загрузки топлива. Дымохода нет, поскольку он и не нужен. Ниже представлена схема газогенератора:

Где 1 – БУНКЕР, 2 – ТОПЛИВНИК, 3 — ЗОЛЬНИК;

Остальные агрегаты, представленные на общей схеме газогенераторной установки, необходимы для того, чтобы очистить смесь газов и сделать ее пригодной для использования в ДВС, поскольку в исходном виде она сильно загрязнена мелкими частичками и обладает чересчур высокой температурой.

Естественно, установки, которые производятся кустарным методом, устроены значительно проще, нежели промышленные, что, увы, самым драматичным образом сказывается на их КПД.

Интересные факты о газогенераторах – правда или ложь?

Газогенераторные установки окружены целым облаком мифов, которые кочуют из одного журнала в другой и активно муссируются в Сети. Порой встречаются совсем уж фантастические утверждения. Имеют ли они под собой реальную почву? Далеко не всегда, и в этом вы убедитесь.

Миф №1.

Утверждение о якобы невероятно высоком КПД газогенератора. Приводятся заоблачные цифры в 90% или даже больше. На самом деле, из-за происходящих в процессе пиролиза химических реакций коэффициент полезного действия не превышает 75-80%.

Миф №2.

Звучит он следующим образом: газогенераторная установка может без каких-либо проблем работать даже на влажном топливе. Частично, это верно, так что такое утверждение не совсем миф. Однако существует маленький нюанс – влажное топливо снижает объем получаемой смеси. В некоторых случаях падение производительности может достигать 1/4, а все потому, что тепловая энергия уходит не на выделение газов, а на испарение водяного пара, что приводит к падению температуры и замедлению процесса пиролиза. Так что дрова стоит хорошенько просушить перед закладкой в бункер.

Миф №3

Заключается в том, что при использовании газогенератора можно сэкономить на отоплении дома, если сравнивать с традиционным твердотопливным котлом. Убедиться в неправильности данного тезиса можно, произведя несложные арифметические расчеты стоимости котла и газогенераторной установки, которая еще будет занимать много места.

Принцип работы агрегата

Газогенератор можно сравнить с колонной, имеющей цилиндрическую форму с сужением книзу. От агрегата отходят патрубки для подачи воздуха и выхода горючей смеси. Основным агрегатом, из числа представленных на схеме, является, конечно, газогенератор. Еще имеется люк для доступа в зольник и отверстие, для того чтобы можно было загружать топливо. Дымоход отсутствует.

Для начала следует понять принцип работы газогенератора. Эта информация необходима тем, кто намерен узнать принцип работы газогенератора или «пиролизного газогенератора» – таково его полное название.

Данная установка нужна для выделения смеси газов путем разложения дров, торфа, угля. Затем следует рассмотреть принцип действия газогенератора на дровах. Благодаря пиролизу дерева, выделяются газы, способные гореть. Таким образом, сюда можно включить угарный газ, водород, метан и прочие непредельные углеводороды.

Конструкция установки

Чтобы успешно эксплуатировать авто на дровах или сжигать полученное топливо в котле, одного газогенератора недостаточно. Дело в том, что помимо балластных газов, самодельное горючее содержит летучие примеси и смолы, проще говоря, — дым и сажу. Ни автомобильный мотор, ни горелочное устройство котла не рассчитано на такое топливо и быстро выйдет из строя. Поэтому была придумана система фильтрования, входящая в состав газогенераторной установки и включающая 3 дополнительных агрегата:

• фильтр грубой очистки – циклон;
• радиатор – охладитель;
• фильтр тонкой очистки.

Очередность размещения этих элементов показана на технологической схеме:

Циклон для газогенератора представляет собой вертикальный цилиндр с двумя патрубками и конусом на конце, как показано на чертеже. Загрязненная газовая смесь, попадая внутрь него, движется по кругу на высокой скорости, за счет чего крупные и средние частицы золы отбрасываются на стенки центробежной силой и выводятся через отверстие в конусе.

Схема работы циклона, который очищает силовой газ от примесей

Чем выше температура газа, тем меньше его плотность. Это значит, что горючее на выходе из газгена нельзя использовать в ДВС без предварительного охлаждения, иначе оно просто не воспламенится в цилиндрах. Поэтому в промышленных газогенераторных установках сразу после циклона ставится воздушный либо водяной теплообменник, а следом – компрессор, нагнетающий охлажденную газовую смесь в распределительную емкость.

В конце технологической цепочки стоит фильтр тонкой очистки, удаляющий из полученного топлива мелкие частицы сажи и золы. Пример такого агрегата – так называемый скруббер, в котором газы очищаются за счет продувания через воду. Теперь, когда мы разобрались с технологией производства горючего, можно сделать собственную недорогую установку, способную обеспечить работу двигателя внутреннего сгорания на дровах.

Самодельный газген, изготовленный заграничными коллегами

Из чего состоит пиролизный газ?

Порода древесины не влияет на состав смеси при пиролизе. Соответственно, береза, сосна и ель выделяют практически одинаковое количество всех вышеперечисленных газов. После пиролиза 1 куб. м дерева можно получить около 90 м3 неконденсирующегося газа.

Полезная теплота при сгорании 1 м3 неконденсирующегося газа, кДж/м3, вычисляется по формуле.

Для примера возьмем березу и сделаем расчёт калорийности газа:

Qнр=127,5*28,4%+108,1*3,0%+358,8*18,2+604,4*1,4=11 321,62 кДж/м3= 11,3 МДж/м3

Затем делим полученное число на 4,187. Таким образом, Qнр будет равен 2704 кКал/м3. Для сравнения калорийность природного газа составляет 8000 кКал/м3.

Заключение

Невзирая на всю привлекательность идеи сжигания дров вместо бензина в современных условиях она практически нежизнеспособна. Долгий розжиг, езда на средних и высоких оборотах, влияющая на ресурс ДВС, отсутствие комфорта, — все это делает действующие установки обычными диковинками, не находящими широкого применения. А вот сделать газогенератор для домашней электростанции – совсем другой вопрос. Стационарный агрегат совместно с переделанным дизельным ДВС может оказаться отличным вариантом электроснабжения дома.

Как сделать авто на дровах своими руками

Если вы хотите попробовать перевести свою машину на дрова, на вашем пути встанет множество препятствий. Конструируя газогенераторную установку, вам надо будет сделать ее одновременно небольшой, довольно легкой и в тоже время высокоэффективной. Если позволяют финансы, наилучшим решением будет пойти по пути умельцев из-за рубежа и использовать нержавеющую сталь для корпуса самого газогенератора, фильтра и охладителя.

Это даст вам заметный выигрыш в массе всей конструкции, причем без потери прочности. Однако нержавейка обойдется вам в копеечку, и поэтому отечественные мастера часто заменяют ее обычной сталью.

На изображении внизу приведена схема самой совершенной автомобильной газогенераторной установки, которой оснащались серийные автомобили (речь идет о грузовике «УралЗИС-352″, выпускавшимся в 1950-х гг.). Именно на ее конструкцию лучше всего ориентироваться при сборке своего газогенератора:

Для начала надо будет сделать наружную емкость – для этой цели прекрасно подойдет прочная железная бочка или завальцованный и заваренный лист металла толщиной не менее 1 мм, для внутренней же сгодится газовый баллон (для пропана) или ресивер от грузовика (КамАЗа, например). Не забудьте прорезать в корпусе дверцу для доступа к зольнику, иначе вы не сможете его чистить. Внизу камеры сгорания следует расположить горловину – там будут осаждаться смолы. Колосниковую решетку легко сделать из прочной арматуры, а для патрубков придется подыскать трубы подходящего размера и диаметра. Из листа металла толщиной 5 мм получатся отличная крышка и днище. В качестве уплотнителя используйте асбестовый шнур (не забудьте нанести на него пропитку в виде графитной смазки).

На фильтр грубой очистки можно пустить отслуживший свое огнетушитель. В нижней части он оснащается насадкой в форме конуса со штуцером, а сверху вваривается патрубок, через который будет выходить очищенный газ. Сбоку, в корпус, врезается еще один штуцер для подачи продуктов горения. Общая схема циклона приведена ниже:

Так как смесь газов обладает слишком высокой температурой, в ДВС ее использовать нельзя. Поэтому газы необходимо охладить. В качестве охладителя можно использовать как обыкновенную «гармошку», применяющуюся в системах отопления, так и более продвинутый биметаллический радиатор, разместив его так, чтобы он хорошо обдувался набегающим потоком воздуха.

После охладителя газы нужно очистить еще раз с помощью фильтра тонкой очистки. Тут тоже подойдет корпус от старого огнетушителя, а вот фильтрующий элемент выбирайте на свое усмотрение . Узлы и агрегаты следует объединить согласно данной схеме:

Кроме того, вам понадобится еще 2 детали. Первая из них – это смеситель, с помощью которого вы будете регулировать топливно-воздушную смесь для ДВС. Вторая – вентилятор с реле, необходимый для нагнетания газа во время розжига (после запуска мотора в системе появляется разряжение, и вентилятор на этом этапе должен отключаться). Кстати говоря, вентилятор устанавливается в воздухораспределительной коробке, оснащенной обратным клапаном. Коробка не является частью газогенератора, а устанавливается отдельно.

Выводы и рекомендации

Хотя идея перевести машину с бензина на дрова и кажется весьма привлекательной, равноценной замены не получится. При всех достоинствах газогенератора, двигатель, работающий на смеси горючих газов, просто неспособен развивать мощность, сравнимую с мотором на жидком топливе. Как следствие, динамика оставляет желать лучшего (даже 70-80 км/ч- скорость практически недостижимая). Другое дело, если газогенераторная установка создается с целью отопления жилья в негазифицированных населенных пунктах. В данном случае это весьма неплохой вариант, на который определенно стоит обратить внимание.

Автомобиль на дровах: как он работает?

Оговоримся сразу: если автомобиль ездит на дровах, это не значит, что он — паровоз без рельсов. Низкий КПД паровой машины с ее отдельной топкой, котлом и цилиндрами двойного-тройного расширения оставил паровые автомобили в числе забытой экзотики. А сегодня мы поговорим о «дровяном» транспорте с привычными нам ДВС, моторами, сжигающими топливо внутри себя.

Разумеется, затолкать дрова (или нечто подобное) в карбюратор вместо бензина пока еще никому не удавалось, а вот идея прямо на борту авто получать из древесины горючий газ и подавать его в цилиндры как топливо прижилась на долгие годы. Речь идет о газогенераторных автомобилях, машинах, чей классический ДВС работает на генераторном газе, который получают из древесины, органических брикетов, или угля. От привычного жидкого топлива, кстати, такие машины тоже не отказываются — они способны работать и на бензине.

Автомобиль с газогенераторной установкой. Фото wikipedia.org

Святая простота

Генераторный газ — это смесь газов, состоящая в основном из окиси углерода СО и водорода Н2. Получить такой газ можно, сжигая размещенную толстым слоем древесину в условиях ограниченного количества воздуха. На этом несложном принципе работает и автомобильный газогенератор, простой по сути агрегат, но громоздкий и конструктивно осложненный дополнительными системами.

Также, помимо собственно производства генераторного газа, автомобильная газогенераторная установка охлаждает его, очищает и смешивает с воздухом. Соответственно, конструктивно классическая установка включает в себя сам газогенератор, фильтры грубой и тонкой очистки, охладители, электровентилятор для ускорения процесса розжига и трубопроводы.

НПЗ вожу с собой

Простейший газогенератор имеет вид вертикального цилиндра, в который почти доверху загружается топливо — дрова, уголь, торф, прессованные пеллеты и т.п. Зона горения расположена внизу, именно здесь, в нижнем слое горящего топлива создается высокая температура (до 1 500 градусов по Цельсию), необходимая для выделения из более верхних слоев будущих компонентов топливной смеси — окиси углерода СО и водорода Н2. Далее горячая смесь этих газов поступает в охладитель, который снижает температуру, повышая таким образом удельную калорийность газа. Этот довольно крупный узел обычно приходилось помещать под кузовом машины. Расположенный следом по ходу газа фильтр-очиститель избавляет будущую топливную смесь от примесей и золы. Далее газ направляется в смеситель, где соединяется с воздухом, и окончательно приготовленная смесь направляется в камеру сгорания двигателя автомобиля.

Схема автомобиля ЗИС-21 с газогенератором

Как видите, система производства топлива прямо на борту грузовика или легковушки занимала довольно много места и немало весила. Но игра стоила свеч. Благодаря собственному — и к тому же дармовому — топливу свой автономный транспорт могли себе позволить предприятия, расположенные за сотни и тысячи километров от баз снабжения ГСМ. Это достоинство долго не могло затмить все недостатки газогенераторных автомобилей, а их было немало:

— существенное сокращение пробега на одной заправке;
— снижение грузоподъемности автомобиля на 150-400 кг;
— уменьшение полезного объема кузова;
— хлопотный процесс «дозаправки» газового генератора;
— дополнительный комплекс регламентных сервисных работ;
— запуск генератора занимает от 10-15 минут;
— существенное снижение мощности двигателя.

ЗиС 150УМ, опытная модель с газогенераторной установкой НАМИ 015УМ

В тайге заправок нет

Древесина всегда являлась основным топливом для газогенераторных автомобилей. В первую очередь, конечно, там, где дров в избытке, — на лесозаготовках, в мебельном и строительном производстве. Традиционные технологии лесопереработки при промышленном использовании древесины в эпоху расцвета «газгенов» около 30% от массы леса отпускали в отходы. Их и использовали как автомобильное топливо. Интересно, что правилами эксплуатации отечественных «газгенов» строжайше запрещалось использование деловой древесины, так как и отходов лесной промышленности было с избытком. Для газогенераторов годились как мягкие, так и твердые породы дерева.

Единственное требование — отсутствие на чурках гнили. Как показали многочисленные исследования, проведенные в 30-е годы в Научном автотракторном институте СССР, лучше всего в качестве топлива подходят дуб, бук, ясень и береза. Чурки, которыми заправлялись котлы газогенераторов, чаще всего имели прямоугольную форму со стороной 5-6 сантиметров. Сельскохозяйственные отходы (солома, лузга, опилки, кора, шишки и пр.) прессовали в специальные брикеты и также «заправляли» ими газогенераторы.

Главным недостатком «газгенов», как мы уже говорили, можно считать малый пробег на одной заправке. Так, одной загрузки древесными чурками советским грузовикам (см. ниже) хватало не более чем на 80-85 км пробега. Учитывая, что «заправляться» руководство по эксплуатации рекомендует при опустошении бака на 50-60%, то и вовсе пробег между заправками сокращается до 40-50 км. Во-вторых, сама установка, вырабатывающая генераторный газ, весит несколько сотен килограммов. К тому же двигатели, работающие на таком газе, выдают на 30-35% меньше мощности, чем их бензиновые аналоги.

Доработка автомобилей под дрова

Для работы на генератором газе автомобили приходилось приспосабливать, но изменения не были серьезными и порой были доступны даже вне заводских условий. Во-первых, в моторах повышали степень сжатия, чтобы не так существенна была потеря мощности. В некоторых случаях для улучшения наполнения цилиндров двигателя применялся даже турбонаддув. На многие «газифицированные» авто устанавливался генератор электрооборудования с повышенной отдачей, поскольку для вдувания воздуха в топку использовался достаточно мощный электровентилятор.

Для сохранения тяговых характеристик, в особенности это касалось грузовиков, при снизившейся мощности двигателя передаточные числа трансмиссии делали более высокими. Скорость движения падала, но для автомобилей, использующихся в лесной глуши и прочих пустынных и отдаленных районах это не имело решающего значения. Чтобы компенсировать изменившуюся из-за тяжелого газогенератора развесовку, в некоторых машинах усиливали подвеску.

Помимо того, из-за громоздкости «газового» оборудования отчасти приходилось перекомпоновывать автомобиль: менять, сдвигать грузовую платформу или урезать кабину грузовика, отказываться от багажника, переносить выхлопную систему.

Золотая эра «газгена» в СССР и за границей

Эра расцвета газогенераторных автомобилей пришлась на 30-40-е года прошлого века. Одновременно в нескольких странах с большими потребностями в автомобилях и малыми разведанными запасами нефти (СССР, Германия, Швеция) инженеры крупных предприятий и научных институтов взялись за разработку автотранспорта на дровах. Советские специалисты больше преуспели в создании грузовых автомобилей.

С 1935 года и до самого начала Великой Отечественной войны на разных предприятиях Министерства лесной промышленности и ГУЛАГа (Главное Управление ЛАГерей, увы, реалии той поры) «полуторки» ГАЗ-АА и «трехтонки» ЗИС-5, а также автобусы на их базе переделывались для работы на дровах. Также отдельными партиями газогенераторные версии грузовиков производились самими заводами-изготовителями машин. Например, советские автоисторики приводят цифру 33 840 — столько было выпущено газогенераторных «полуторок» ГАЗ-42. Газогенераторных ЗИСов моделей ЗИС-13 и ЗИС-21 в Москве выпущено более 16 тыс. единиц.

За довоенное время советскими инженерами было создано более 300 различных вариантов газогенераторных установок, из которых 10 дошли до серийного производства. Во время войны серийными заводами были подготовлены чертежи упрощенных установок, которые могли изготавливаться на местах в автомастерских без применения сложного оборудования. По воспоминаниям жителей северных и северо-восточных регионов СССР, грузовики на дровах можно было встретить в глубинке вплоть до 70-х годов ХХ века.

В Германии во время Второй Мировой войны наблюдался острый дефицит бензина. КБ двух компаний (Volkswagen и Mercedes-Benz) получили задание разработать газогенераторные версии своих популярных компактных машин. Обе фирмы в довольно сжатые сроки справились с поставленной задачей. На конвейер встали Volkswagen Beetle и Mercedes-Benz 230. Интересно, что у серийных авто дополнительное оборудование даже не выступало за стандартные габариты «легковушек». В Volkswagen пошли еще дальше и создали опытный образец «дровяного» армейского Volkswagen Тур 82 («кюбельваген»).

Volkswagen Тур 82

Дровяные машины сегодня

К счастью, главное достоинство газогенераторных автомобилей — независимость от сети АЗС, сегодня стало малоактуальным. Однако в свете современных экологических веяний на первый план вышло другое достоинство автомобилей на дровах — работа на возобновляемом топливе без какой-либо его химической подготовки, без дополнительной траты энергии на производство топлива. Как показывают теоретические расчеты и практические испытания, мотор на дровах меньше вредит атмосфере своими выбросами, чем аналогичных двигатель, но уже работающий на бензине или солярке. Содержание выхлопных газов очень схоже с выбросами ДВС, работающих на природном газе.

И тем не менее тема с автомобилями на дровах утратила свою былую популярность. Забыть о газогенераторах не дают в основном инженеры-энтузиасты, которые ради экономии на топливе или в качестве эксперимента переоборудуют свои личные машины для работы на генераторном газе. На постсоветском пространстве есть удачные примеры «газгенов» на базе легковушек АЗЛК-2141 и ГАЗ-24, грузовика ГАЗ-52, микроавтобуса РАФ-2203 и пр. По словам конструкторов, их творения могут проезжать на одной заправке до 120 км со скоростью 80-90 км/ч.

К примеру, переведенный житомирскими инженерами в 2009 году на дрова ГАЗ-52 расходует около 50 кг древесных чурок на 100 км пробега. По словам конструкторов, подкидывать дровишки нужно каждые 75-80 км. Газогенераторная установка традиционно для грузовиков расположилась между кабиной и кузовом. После розжига топки должно пройти около 20 минут, прежде чем ГАЗ-52 сможет начинать движение (в первые минуты работы генератора выработанный им газ не имеет нужных горючих свойств). По расчетам разработчиков, 1 км на дровах обходится в 3-4 раза дешевле, чем на дизельном топливе или бензине.

Газогенераторная установка ГАЗ-52

Единственная на сегодняшний день страна, в которой массово используются автомобили на дровах, — это Северная Корея. В связи с тотальной мировой изоляцией там наблюдается определенный дефицит жидкого топлива. И дрова снова приходят на выручку тем, кто оказался в нелегком положении.