Газогенераторные двигатели: принцип работы, технические характеристики, топливо
Газогенераторные двигатели имеют один неоспоримый плюс — возобновляемое топливо, которое не проходит предварительной обработки. История использования машин с таким оборудованием достаточно длительная. Сейчас они не так популярны, как раньше, но понемногу все же возвращаются в строй.
Основные особенности
Газогенераторный двигатель имеет несколько неоспоримых положительных особенностей. Во-первых, топливо для устройства очень дешевое. Во-вторых, во время эксплуатации прибора появляется зола, которую можно использовать в качестве удобрения, к примеру. В-третьих, автомобилю не потребуется установка мощных химических аккумуляторов.
Газогенераторные двигатели доказали свое право на существование уже очень давно. На сегодняшний день их показатели, конечно же, сильно уступают новым моделям, работающим на бензине. Однако для большинства рядовых автолюбителей вполне могут подойти. Газогенераторная установка позволит развить скорость до 100 км/ч, приблизительный максимальный пробег составит около 100 км. Чтобы повысить этот параметр, придется возить на заднем сиденье дополнительные мешки с дровами и периодически вручную добавлять "топливо" в бак.
Как работает устройство
Принцип работы газогенератора — синтез газа. Это процесс, в ходе которого, горючий газ будет образовываться при сгорании органического материала. Для того чтобы запустить такой процесс, необходимо достичь нужной температуры. Синтез газа начинается при достижении показателя в 1400 градусов по Цельсию. В качестве топлива для газогенераторного двигателя могут использоваться торф, брикеты с углем и некоторые другие материалы. Однако, как показала практика, наиболее распространенным и удобным материалом в качестве топлива выступает древесина. Хотя здесь стоит отметить, что дрова обладают одним недостатком — уменьшение заряда рабочей смеси. Вследствие этого несколько понижается и мощность установки.
Можно добавить, что двигатель на дровах такого типа обычно используется с уже установленным ДВС.
Технические показатели
Если стоит выбор, к примеру, между покупкой автомобиля с традиционным двигателем или с газогенератором, то нужно подробно остановиться на рассмотрении технических данных второго варианта.
Масса двигателя на дровах достаточно большая, из-за чего теряется некоторая часть маневренности. Этот недостаток становится опасным, если развивать большую скорость. По этой причине доводить автомобиль даже до 100 км/ч не слишком разумное решение — придется ездить медленнее. Есть еще несколько важных технических данных такого оборудования.
Газовый двигатель, работающий на дровах, обладает большей степенью сжатия, чем грузовые бензиновые двигатели. Что касается мощности, то газогенератор, естественно, проигрывает бензиновому мотору.
Последнее отличие не в пользу газовой модели — это грузоподъемность, в которой он также проигрывает автомобилю с бензиновым двигателем.
Здесь еще важно отметить, что древесный газ характеризуется низкой энергетической ценностью, если сравнивать его с природным. Авто на дровах будет неизбежно терять в динамических свойствах, что также следует учитывать водителю такого транспортного средства.
Некоторые предпочитают установку объемного газогенератора осуществлять на прицеп, а не на сам автомобиль. В таком случае и быстро разогнаться не получится, и маневрировать особо не выйдет. Прицеп будет являться своеобразным ограничителем.
Плюсы газогенераторов
Если говорить о плюсах автомобилей с газогенераторными двигателями, то на первый план сразу же выдвигается возможность использования возобновляемого топлива без предварительной обработки. К примеру, чтобы преобразовать биомассу в пригодное топливо, допустим в этанол или биодизель, расходуется энергия, в том числе и энергия СО2. Причем в некоторых случаях для преобразования расходуется больше энергии, чем содержит изначальное вещество. Что же касается газогенераторного двигателя на дровах, то он не требует затрат энергии для производства своего топлива. Разве что нужно порезать и нарубить саму древесину для удобства загрузки.
Если сравнивать авто с генератором газа и электромобилем, то можно выделить такое преимущество: отсутствие необходимости в мощном химическом источнике энергии — аккумуляторе. Недостаток таких химических аккумуляторов в том, что у них есть свойство саморазрядки, а потому перед эксплуатацией такого авто его нужно не забывать заряжать. Если говорить об устройствах, генерирующих газ, то они сами по себе являются "натуральными" аккумуляторами.
При правильной сборке генератора газа и его работе в автомобиле, он будет значительно меньше засорять окружающую среду, чем любой бензиновый или дизельный двигатель. Конечно, если сравнивать с электромобилем, который вовсе не создает выбросов в атмосферу, газогенератор проигрывает. Однако для зарядки электрических авто требуется много энергии, а она все еще добывается традиционными способами, сильно загрязняющими воздух.
Минусы газогенераторов
Несмотря на определенные преимущества таких установок, их монтаж все еще остается очень индивидуальным решением и не самым оптимальным. Сама по себе установка, генерирующая газ, занимает много места, а весит она несколько сотен килограммов. При этом всю эту громоздкую конструкцию придется перевозить с собой. Большие габариты газовой установки обусловлены тем, что древесный газ характеризуется низким коэффициентом удельной энергии. Для примера можно сравнить удельную энергетическую ценность древесного газа, которая составляет 5,7 МДж/кг, с энергией, выделяющейся при сгорании бензина — 44 МДж/кг, или 56 МДж/кг — результатом сгорания природного газа.
Работа автомобиля на газогенераторе
При эксплуатации такого газового двигателя не получится достичь скорости и ускорения, возможных при использовании бензинового аналога. Проблема заключается в составе древесного газа. Он на 50 % состоит из азота, на 20 % из окиси углерода; оставшиеся 18 % — водород, 8 % — двуокись углерода, 4 % — метан. Азот, который занимает половину удельной массы газа, вовсе не способен поддерживать горение, а соединения на основе углерода снижают эффективность горения. Большое количества азота уменьшает общую мощность такого генератора примерно на 30-50 процентов. Углерод снижает скорость горения газа, из-за чего не удается достичь высоких оборотов. Как следствие этого, понижаются динамические показатели автомобиля.
Применение генератора газа
Следует отметить еще одну небольшую проблему газогенераторных автомобилей, которая связана конкретно с их применением. Она связана с тем, что установке необходимо выйти на рабочую температуру, и только потом можно ехать. Время, требуемое для выхода на такую температуру, примерно 10 минут. Кроме этого, перед следующей загрузкой дров необходимо каждый раз лопаткой вычищать золу. Еще одна проблема в обслуживании — образование смол. Сейчас она стоит уже не так остро, как раньше, но все равно приходится очищать фильтры от загрязнений. Все это приводит к необходимости частого обслуживания генератора.
Если говорить в общем об уходе за таким устройством, то можно сказать так: появляется много хлопот с обслуживанием, которые полностью отсутствуют у бензиновых двигателей.
Генераторная установка для ЗИС-21
Как уже говорилось, основной принцип работы генератора — превращение твердого топлива в газ, поступающего в цилиндры. Газогенераторный ЗИС-21 в основном работал на таком топливе, как дуб и береза. Иногда использовался бурый вид угля, так как он был наименее гигроскопичным и давал больше всего газа на выходе.
Что касается конструкции типового генератора газа для ЗИС-21, то состоял он из следующих элементов: непосредственно самого газогенератора, охладителя-очистителя, тонкого очистителя, смесителя и электрического вентилятора.
Работа установки на ЗИС
В верхней части генератора располагался бункер, в который загружалось твердое топливо. Непосредственно под самим бункером располагался топливник. Здесь осуществлялось сжигание древесины. По мере того как сгорало старое топливо, осуществлялась "автоматическая подача" новой древесины. На деле же она просто падала из бункера в топливник под собственным весом, когда освобождалось место. Сама газогенерирующая установка располагалась с левого борта автомобиля.
В этом же топливнике происходило и образование окиси углерода из-за протягивания воздуха сквозь горящее топливо. Просасывание кислорода происходило либо за счет разрежения в цилиндрах, либо за счет работы электрического вентилятора. Эти методы являлись принудительными, но были установки и с естественной тягой воздуха. Однако в таком случае на подготовку к запуску могло уйти до часа времени.
Под топливником располагался зольник, как в любой обычной печи. Здесь скапливались продукты сгорания. Каждые 80-100 км было необходимо очищать его от золы. Однако здесь справедливо будет отметить, что этот факт доставлял проблемы лишь водителю транспортного средства.
Путь газа в установке и очистка
Весь полученный в процессе сгорания дров газ поступал в рубашку, которая окружала бункер. Таким образом достигался подогрев этого отсека. Это было необходимо, чтобы предварительно просушить всю древесину, подготовленную для сжигания. Далее стоит отметить, что после выхода из генератора газ имел температуру примерно 110-140 градусов. Поэтому он должен был проходить через секции радиатора. Там он не только понижал свою температуру, но и попутно очищался от тяжелых химических примесей.
Что касается очистки, то она происходила таким образом. Секции очистителя-теплообменника представляли собой внутренние перфорированные трубы. Эта конструкция была схожа с нынешними выхлопными системами. Горячий газ сильно расширялся, из-за чего терял скорость течения. Проходя через лабиринты труб, он еще сильнее замедлялся. Примеси отсеивались от него и оставались на внутренних стенках наружных труб обменников тепла. После этого следовал тонкий очиститель.
В конце можно подвести следующий итог. Характеристики газогенераторных двигателей достаточно слабые, если сравнивать их с бензиновыми. Установка имеет некоторые преимущества, однако она достаточно неудобна в эксплуатации, требует постоянного и тщательного ухода. Кроме того, она не позволяет развивать большую скорость и снижает маневренность. По этим причинам автомобили с такими газовыми генераторами не пользуются практически большой популярностью.
Газогенераторные двигатели
Возобновляемое топливо, не прошедшее предварительной обработки – основной козырь автомобилей с газогенераторными двигателями. История применения технологии легковых машин уходит корнями в 40-е годы. Однако сейчас популярность этих двигателей хоть и не на пике, как во Вторую Мировую, но всё же набирает обороты.
Содержание:
Основные плюсы
- стоимость топлива;
- машине не нужны мощные химические аккумуляторы;
- зола, появляющаяся в ходе работы, может применяться в качестве удобрения.
Не так-то просто совместить элегантность с громоздким газогенератором. Однако возможно, что доказывает этот автомобиль!
Газогенераторные двигатели продемонстрировали свою состоятельность. Характеристики таких автомобилей удовлетворительны для большинства. Около 100 км/ч максимальной скорости и около 100 километров пробега – вот примерные характеристики такого автомобиля. Не дурно, не так ли? Если пробега маловато, то можно использовать заднее сиденье для мешков с древесиной, однако придётся вручную высыпать «топливо» в бак, когда это понадобится.
Принцип работы
Синтез газа – процесс, когда горючий газ появляется из органического материала. На нём основан и принцип действия газогенераторного двигателя. Катализатором процесса служит тепло. Синтез начинается при достижении температуры в 1400 градусов по Цельсию.
Топливо может быть разным, например, торф, брикеты угля… Но, пожалуй, самый удобный вариант – дрова. Минусом можно назвать уменьшение заряда рабочей смеси, а следовательно – снижение мощности. Используют газогенераторы, как правило, уже с установленными ДВС.
На рисунке выше – автомобиль середины прошедшего столетия, приспособленный для использования дров в качестве топлива. Типично для европейской техники периода Второй мировой войны. Это было вызвано отсутствием иного топлива.
Новые исследования
APRA-E занялась серьезными исследованиями по использованию газовых двигателей, а так же замерами выхлопных газов с помощью газоанализаторов. И хоть речь и не о газогенераторных моторах, эти исследования могут оказать влияние и на эту технологию. Впрочем, непосредственно двигатели в сочетании с газогенераторами пока что мало интересуют научный мир по сравнению с иными технологиями по альтернативной энергии для легковых машин.
Почему так происходит? Ответ найти сложно, ведь газогенераторные двигатели имеют перспективные преимущества! Впрочем, даже если толком никто и не проведёт глубоких исследований с далеко идущими выводами, возможно множество мелких усовершенствований и даже случайные открытия энтузиастов со всего мира…
Вот пример того, насколько креативна и практична может быть мысль такого любителя.
Да, сразу видно, что с точки зрения аэродинамики эти автомобили уступают «космическим» формам обычных современных автомобилей. Однако и скорости их сравнительно невысокие, не больше, чем нужно большинству населения. Конечно, желающим приобрести или создать такой автомобиль стоит предварительно оценить маневренность, которая может пострадать.
Технические данные
Автомобиль с газогенераторным двигателем обладает достаточно специфическими характеристиками. Машина несколько теряет свою маневренность из-за веса двигателя, что может быть опасно, если достигнута высокая скорость. Так что ездить на машине 100 километров в час – сомнительное решение.
Чтобы лучше представлять особенности самого двигателя, стоит знать его технические данные:
- степень сжатия даже более высокая, чем у грузовых двигателей на бензине;
- мощность ниже, чем у бензинового мотора;
- грузоподъемность автомобиля сокращается.
Очевидно, что у газогенераторных моторов есть и плюсы, и минусы. Древесный газ имеет слишком маленькую энергетическую ценность по сравнению с природным. Водителям обязательно следует учитывать снижение динамических свойств машины, ведь разница между таким железным «конём» и каким-нибудь обыкновенным бензиновым монстром ощущается сразу.
Возможно, лучше отказаться от идеи создания автомобиля с газогенератором на самой машине. Вариант размещения в прицепе имеет свои плюсы.
Плюс способа в том, что точно не возникнет соблазна прокатиться с ветерком, да ещё и поупражняться в маневрировании на большой скорости. Так что прицеп может быть своеобразным ограничителем и напоминать об особенностях транспортного средства водителю.
Немного о стиле
Автомобиль с прицепом – это интересный выбор для тех, кто любит «Стим-панк»: старенькая маленькая машинка годов пятидесятых в сочетании с таким прицепом может слегка напомнить паровоз и выглядеть мило. Впрочем, если на такой автомобиль непосредственно установить газогенератор, стилистика «Стим-панка» тоже присутствует.
Намеренная «открытость» машины позволяет насладиться элементами и только добавляет стиля.
Распространение
В силу того, что цены на топливо растут, появляется всё больше умельцев, успешно модифицирующих свои транспортные средства в газогенераторные. Это происходит в разных странах мира. Много машин было разработано в Скандинавских странах. Работы мастеров, может, и не покажутся особо эстетичными, но со своими задачами автомобили справляются.
Газогенераторные двигатели имеют перспективы, но вряд ли их ждёт массовое производство. Скорее, люди, желающие сделать нечто особенное и экономичное, будут создавать свои шедевры. Кто-то будет пользоваться ими, а кто-то – продавать за хорошие деньги. В любом случае окончательно технология не исчезнет ещё лет сто.
Как сделать газогенератор для дома или автомобиля
Двигатель внутреннего сгорания, работающий на дровах, — это вовсе не призрак из далекого прошлого. Автомобили и электростанции, использующие древесину в качестве энергоносителя, можно встретить и сегодня. Стоит уточнить: двигатель функционирует на газе, получаемом из дерева путем его сжигания определенным способом. Установки, вырабатывающие такой газ, называют газогенераторами, они достаточно давно применяются на промышленных предприятиях. Но можно ли изготовить газогенератор своими руками и стоит ли это делать – вопросы, ответы на которые призвана дать наша статья.
Как работает газогенератор
Чтобы понять, какая может быть польза от газогенератора в домашнем хозяйстве, надо разобраться в его принципе работы, а потом и устройстве. Тогда можно будет оценить затраты на его изготовление, а главное, какой удастся получить результат.
Итак, пиролизный газогенератор – это комплекс узлов и агрегатов, предназначенный для выделения смеси горючих газов из твердого топлива с целью его использования в двигателях внутреннего сгорания.
Для справки. Конструкции генераторов отличаются друг от друга в зависимости от вида сжигаемого твердого топлива, мы рассмотрим самую актуальную из них – на дровах.
Если древесину сжигать в закрытом пространстве, ограничивая подачу кислорода, то на выходе можно получить смесь горючих газов. Вот их перечень:
- угарный газ (оксид углерода СО);
- водород (Н2);
- метан (СН4);
- прочие непредельные углеводороды (CnHm).
Примечание. В смеси присутствуют также негорючие балластные газы: двуокись углерода (углекислый газ), кислород, азот и водяные пары.
Эффективный дровяной газогенератор должен не просто вырабатывать горючую смесь, но и сделать ее пригодной к использованию. Поэтому весь цикл получения топлива для ДВС можно смело назвать технологическим процессом, состоящим из таких этапов:
- газификация: древесина даже не горит, а тлеет при подаваемом количестве кислорода в размере 33—35% от необходимого для полноценного сжигания;
- первичная грубая очистка: летучие частицы продуктов горения, что вырабатывают древесные газогенераторы после первого этапа, отделяются с помощью сухого вихревого фильтра – циклона;
- вторичная грубая очистка: производится в скруббере – очистителе, где поток горючего пропускается через воду;
- охлаждение: продукты сгорания с температурой до 700 ?С проходят его в воздушном либо водяном теплообменнике;
- тонкая очистка;
- отправка потребителю: это может быть закачка горючего компрессором в бак-распределитель либо подача в смеситель, а затем — сразу в ДВС.
Рассмотреть устройство и принцип работы газогенератора в промышленном исполнении можно на технологической схеме, представленной ниже:
Полный цикл получения газа достаточно сложен, поскольку включает в себя несколько различных установок. Самая основная – это газогенератор, представляющий собой металлическую колонну цилиндрической либо прямоугольной формы, имеющую сужение книзу. В колонне имеются патрубки для воздуха и выхода газа, а также лючок доступа в зольник. Сверху агрегат оборудован крышкой для загрузки топлива, дымоход к корпусу не присоединяется, он просто отсутствует. Процесс горения и пиролиза, проходящий внутри колонны, хорошо отражает схема газогенератора:
Не вдаваясь в тонкости химических реакций, проходящих внутри колонны, отметим, что на выходе из нее получается смесь газов, описанная выше. Только она загрязнена частицами и побочными продуктами горения и обладает высокой температурой. Изучив чертежи газогенераторов любой конструкции, можно заметить, что все остальное оборудование предназначено для приведения газа в норму. Воздух в зону горения подается принудительно тяговой или дутьевой машиной (простыми словами — вентилятором).
Надо сказать, что самодельный газогенератор на дровах делается домашними мастерами-умельцами не такой сложной конструкции и технология выделения газа в нем несколько упрощена, о чем будет рассказано ниже.
Мифы о газогенераторных установках
На просторах интернета часто встречается множество необоснованных утверждений о работе подобных агрегатов и дается противоречивая информация об использовании газогенераторов. Попытаемся все эти мифы развеять.
Миф первый звучит так: КПД газогенераторной установки достигает 95%, что несоизмеримо больше, нежели у твердотопливных котлов с эффективностью 60—70%. Поэтому отапливать дом с ее помощью куда выгоднее. Информация некорректна изначально, нельзя сравнивать бытовой газогенератор для дома и твердотопливный котел, эти агрегаты выполняют разные функции. Задача первого – вырабатывать горючий газ, второго – нагревать воду.
Когда говорят о генерирующем оборудовании, то его КПД – это отношение количества полученного продукта к объему газа, что возможно выделить из древесины теоретически, помноженное на 100%. Эффективность котла – это отношение вырабатываемой тепловой энергии дров к теоретической теплоте сгорания, также умноженное на 100%. Кроме того, извлечь из органики 95% горючего топлива может далеко не каждая биогазовая установка, не то что газогенератор.
Вывод. Суть мифа в том, что массу либо объем пытаются через КПД сопоставить с единицами энергии, а это недопустимо.
Обогревать дом проще и эффективнее обычным пиролизным котлом, что таким же способом выделяет горючие газы из древесины и тут же их сжигает, используя подачу вторичного воздуха в дополнительную камеру сгорания.
Миф второй – в бункер можно закладывать топливо любой влажности. Загружать-то его можно, да только количество выделяемого газа падает на 10—25%, а то и более. В этом отношении идеальный вариант — газогенератор, работающий на древесном угле, что почти не содержит влаги. А так тепловая энергия пиролиза уходит на испарение воды, температура в топке падает, процесс замедляется.
Миф третий – затраты на обогрев здания снижаются. Это нетрудно проверить, достаточно сравнить стоимость газогенератора на дровах и обычного твердотопливного котла, тоже сделанного своими руками. Плюс нужно водогрейное устройство, сжигающее древесные газы, например, конвектор. Наконец, эксплуатация всей этой системы отнимет немало времени и сил.
Вывод. Самодельный газогенератор на дровах, сделанный своими руками, лучше всего использовать совместно с двигателем внутреннего сгорания. Именно поэтому домашние умельцы приспосабливают его для генерации электроэнергии в домашних условиях, а то и прилаживают установку на автомобиль.
Автомобильный газогенератор
Надо понимать, что газогенератор для автомобиля должен быть достаточно компактным, не слишком тяжелым и в то же время эффективным. Заграничные коллеги, чьи доходы не в пример выше наших, делают корпус генератора, циклон и фильтр охлаждения из нержавеющей стали. Это позволяет брать толщину металла вдвое меньше, а значит, и агрегат выйдет намного легче. В наших реалиях для сборки газогенератора применяют трубы, старые баллоны от пропана, огнетушители и прочие подручные материалы.
Ниже показан чертеж газогенератора, устанавливаемого на старые грузовики УралЗИС-352, по нему и надо ориентироваться при сборке агрегата:
Наружную емкость наши мастера чаще всего делают из баллонов для сжиженного пропана, внутреннюю можно сделать из ресивера грузового автомобиля ЗИЛ или КаМАЗ. Колосниковая решетка выполняется из толстого металла, патрубки – из соответствующего диаметра труб. Крышку с фиксаторами можно изготовить из отрезанного верха баллона либо из листовой стали. Уплотнение крышки – шнур из асбеста с графитной пропиткой.
Грубый фильтр – циклон для авто делают из старого огнетушителя либо простого отрезка трубы. Снизу трубы выполняется конусная насадка со штуцером для выгрузки золы, сверху торец закрывается наглухо привариваемой крышкой. В нее врезается выходной патрубок для очищенных газов, а сбоку – второй штуцер, куда будет осуществляться подача продуктов горения. Функциональная схема циклона в разрезе показана на рисунке:
Поскольку автомобильный газогенератор выдает газы с высокой температурой, их требуется охлаждать. Причины две:
- раскаленное газообразное топливо имеет слишком малую плотность и поджечь его в цилиндрах ДВС будет непросто;
- существует опасность самопроизвольной вспышки при контакте с горячими поверхностями мотора.
Движение газов по всему тракту во время розжига обеспечивает вентилятор, а после пуска мотора в системе появляется необходимое разрежение, вентилятор отключается.
Для охлаждения мастера-умельцы применяют обычные ребристые радиаторы отопления, располагая их на автомобиле таким образом, чтобы они максимально обдувались воздухом во время движения. Иногда даже используются современные биметаллические радиаторы. Перед попаданием в газогенераторный двигатель топливо требует тонкой очистки, для этого используют разного рода фильтры на свое усмотрение. Все узлы объединяются в одну установку в соответствии со схемой:
И последняя деталь – смеситель, нужен для регулирования пропорций газовоздушной смеси. Дело в том, что древесный газ имеет теплоту сгорания всего 4.5 МДж/м3, в то время как используемый в автомобилях природный газ — целых 34 МДж/м3. Следовательно, пропорции топлива и воздуха должны быть другими, их потребуется настроить заслонкой.
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.
