Что такое газогенераторный двигатель

Как работает машина на дровах и можно ли сделать самому?

Люди могут добыть разные полезные ископаемые, но многие из них продолжают жечь в топках дерево. Опилки и прочие древесные отходы хорошо использовать, если ты решил собственными руками смастерить генераторный автомобиль на дровах. Сейчас мастера успешно используют такие устройства – для них это идеальный вариант с точки зрения экономии. С сегодняшними ценами на бензин многие автомобилисты переводят свой транспорт на более дешевый вид топлива. Самым популярным вариантом считается переделка на газ, но и здесь не обошлось без трудностей. Из-за событий, связанных с нефтью и газом, цены на последний могут резко подскочить. Отсюда такая работа будет бессмысленной. Кому неизвестно, чем могут закончиться проблемы с энергоресурсами? Поэтому, если уж и переделывать авто, то выбирать «машину на дровах». Кроме того, такой способ наиболее экологичен, в сравнении с прочими альтернативными видами топлива.

Если сравнить газификацию древесины и обычное ее сжигание, то наиболее эффективен будет первый вариант, так как в нем не теряется двадцать пять процентов содержащейся энергии. Также не стоит забывать, что древесина – это возобновляемый источник энергии, чего нельзя сказать о бензине.

Конструкции газогенераторов.

У советского грузовика 30 – 40-х годов самой характерной и бросающейся в глаза чертой были два здоровенных цилиндрических «котла», стоявших за кабиной. Один котел был большего размера, другой чуть поменьше. Котел побольше как раз и являлся газогенератором. Его большую часть объема занимал бункер с люком в верхней части, через который насыпали деревянные чурки или уголь.

В нижней части генератора под бункером, располагался топливник – печь, которую растапливали чурками или углем. Необходимый для горения воздух попадал в топливник через боковые щели или фурмы. За счет тяги, создаваемой работающим двигателем (а при запуске – специальным вентилятором), воздух просасывался через горящее топливо, в результате чего образовывались химические составляющие горючего газа: углекислота, окись углерода, водород. Под топливником, на дне газогенератора находился зольник. Колосниковая решетка не позволяла попадать на него крупным не догоревшим кускам топлива.

Из топливника газ тянулся через нижний зольник, а затем поворачивал наверх. Вверх газ проходил по рубашке – простенку между бункером и наружной стенкой газогенератора. Двигаясь вверх горячий газ просушивал топливо, находящееся в бункере, и сам немного остывал. Из рубашки по трубе газ поступал в охладитель. Охладитель газа, состоящий из секций радиаторов, лежал на раме машины под платформой кузова.

Задачей охладителя газа была не только охлаждение, но и первичная грубая очистка от тяжелых механических примесей – пепла и смолы. Следует сказать, что существовали также модели газогенераторных установок, у которых вместо громоздких радиаторов применялся компактный охладитель, совмещенный с водяным радиатором автомобиля, но такие машины получались дороже и выпускались в меньших количествах. После охладителя газ попадал в очиститель, который на описываемых в этой статье ЗИС ах и ГАЗ ах находился во втором, меньшем по размеру «котле».

Очиститель освобождал газ от золы, шлаков, мелкой топливной пыли, которые, попадая в двигатель, портили седла клапанов, стенки цилиндров, поршневые кольца, засоряли масло в картере. Применялись различные конструкции очистителя: решетки, на которые насыпали мелкие стальные кольца Рашига, матерчатые фильтры, инерционные и центробежные очистители. На машинах с компактным охладителем мог быть жидкостный очиститель, находящийся в нижнем коллекторе радиатора-охладителя.

После очистки газ поступал в смеситель, игравший ту же роль, что и обычный карбюратор: он смешивал генераторный газ с воздухом в пропорции, обеспечивающей нормальную работу двигателя на разных режимах. Кроме того, смеситель должен был допускать возможность кратковременной работы двигателя на бензине. Это требовалось, чтобы создать тягу при пуске и розжиге газогенератора.

Преимущества и недостатки газогенераторных установок

В список преимуществ агрегатов данного типа можно включить:

• достаточно высокий КПД (75-80%) при условии работы на сухом топливе;
• длительность процесса горения (нет необходимости постоянно подкладывать дрова в топку, на одной закладке установка способна работать около суток);
• топливо сгорает почти полностью, образуя минимум золы и шлаков, то есть, очищать газоход и зольник приходится относительно редко;
• выбросы в атмосферу минимальны, поэтому люди, ратующие за бережное отношение к экологии, призывают использовать дровяные газогенераторы взамен бензина или солярки.

К недостаткам относят:

• энергозависимость агрегата, если в конструкции предусмотрен электрический вентилятор;
• снижение мощности работы установки на 50% приводит к нестабильности горения, из-за чего начинает выделяться деготь, который загрязняет газоход;
• покупка готовой установки экономически не выгодна – если есть цель сэкономить, требуется монтировать газовый генератор, работающий на дровах, самостоятельно из подручных материалов.

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.

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 ºС 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.

Принцип работы газогенераторного котла на дровах

При работе газогенераторного котла на дровах используется принцип пиролиза. После закладки топлива (дров или специальных древесных брикетов) они проходят через несколько стадий сгорания. Рассмотрим их:

1. Первоначально древесное топливо попадает в специальную камеру, где оно подсушивается.
2. Затем древесное топливо горит при поддержании температуры от 20 до 850 градусов Цельсия. При этом в топочную камеру практически не поступает кислорода. Таким образом происходит окисление древесного топлива,
3. Получившийся в результате окисления газ поступает в камеру сгорания, где с использованием горелок поджигается и горит.

Газогенераторные котлы на дровах, используемые в отопительных целях имеют специальный водяной контур. Внутри него вода проходит через две нагревательных камеры, а уже затем поступает в отопительные радиаторы.

Создание и развитие газогенераторных установок

У истоков работ по автомобильным газогенераторам стоял профессор В. С. Наумов, который в 1927 году построил и испытал установку с прямым процессом газификации древесного угля. С 1928 года автомобильными газогенераторами начал заниматься научный автотракторный институт (НАТИ), а 5 марта 1930 года решением Президиума ВСНХ тракторный отдел и газогенераторная лаборатория института древесины и орглеса переводятся в научно-исследовательский автомобильный и автомоторный институт (НАМИ). 25 марта в институте из подотдела создается газогенераторный отдел, в котором разворачиваются работы по применению твердого топлива для автотракторных двигателей, а также ведется проектирование, постройка и испытания газогенераторных установок для водного транспорта (их ставили на катера, самоходные баржи) и других нужд народного хозяйства.

На смену простейшим установкам, работавшим на древесном угле, пришли более сложные, которые использовали в качестве исходного продукта газификации древесные чурки. Их применение предъявляло более жесткие требования к конструкции газогенератора. Тем не менее, соблазн использовать обычную древесину стал причиной, по которой многие конструкторы направили внимание на дровяные установки. Над ними работали:

• трест «Лесосудомашстрой» и ЦНИИМЭ (генераторы «Пионер» С. И. Декаленкова 1933-1935 гг.);
• «Газогенераторстрой» (А. А. Введенский, 1934-1935 гг.);
• НАТИ (И. С. Мезин, А. И. Пельтцер, С Л. Косов, 1935-1936 гг.);
• ГАЗ (Н. Т. Юдушкин, 1936-1939 гг.);
• ЗИС (А. И. Скерджиев, 1936-1939 гг.);
• Лесотехническая академия имени Кирова в Ленинграде (профессор Е. В. Фролов, 1935 г.).

Первая газогенераторная установка НАТИ-1 работала на обычных дровах. В 1932 году была изготовлена установка НАТИ-3, предназначенная для моторного катера с двигателем ХТЗ или СТЗ. Тогда же появилась и первая автомобильная установка. Она была создана при поддержке общества Автодор. Установка называлась «Автодор-П» и была сконструирована инженером И. Мезиным при участии инженера НАТИ А. Пельцера и Друяна. «Автодор-П» представляла собой газогенераторную установку цельнометаллической конструкции с фурменной подачей воздуха по периферии топливника. Смеситель установки целиком заимствован с НАТИ-3. В НАТИ По типу «Автодор-П» С. Мезин спроектировал две установки: НАТИ-11 для ГАЗ-АА и НАТИ-10 для ЗИС-5. А после испытаний в начале 1936 году НАТИ-11 была передана для серийного производства заводу «Свет шахтера», выпускавшему до этого шахтерские лампы. Приобретенный в этой работе опыт позволил создать более совершенные конструкции. Одной из них стала установка НАТИ-Г14, созданная под руководством С. Г. Коссова. Ее серийное производство под руководством инженера НАТИ Н. Г. Юдашкина было налажено на Горьковском автозаводе для автомобиля ГАЗ-42. Он же ранее разработал и организовал производство газовой версии двигателя ГАЗ-А. В проект газогенераторной установки был внесен ряд изменений с учетом технологий ГАЗ-А, оборудование которого, рассчитанное на массовое производство, резко отличается от оборудования завода «Комета», где эти установки выпускались раньше. В марте 1939 года XVII съезд ВКП(б) поставил перед машиностроителями задачу: «Перевести на газогенератор все машины на лесозаготовках, а также значительную часть тракторного парка сельского хозяйства и автомобильного парка». Военные операции съедали основную массу производимого в стране топлива. Только в боевых действиях против Финляндии было задействовано около 100 000 автомобилей. Во время Великой Отечественной Войны газогенераторные трактора и автомобили стали основным видом механического транспорта в тылу, особенно в сельском хозяйстве и на лесозаготовках. А автомобили ЗИС-21 и ГАЗ-42 эксплуатировались не только в тылу, но и на фронтах. В частности, половина транспортных автомобилей блокадного Ленинграда, Ленинградского фронта и Краснознаменного Балтийского флота была оснащена газогенераторными установками. Для установки на обычные грузовики были разработаны установки НАТИ-Г69 для ЗИС-5 и НАТИ-Г59 для ГАЗ-АА. К концу войны в СССР эксплуатировалось 200 000 газогенераторных автомобилей, тракторов, передвижных электростанций, катеров, мотовозов и других установок. Можно с уверенность сказать, что в условиях нехватки нефтепродуктов газогенераторный автотранспорт внес существенный вклад в Победу нашей страны над гитлеровской Германией. После войны в 1946 – 1952 годах Уральский автомобильный завод выпускал модернизированный УралЗИС-21А, а с 1952 года УралЗИС-352 с установкой НАМИ-Г78. С 1953 года Минский тракторный завод выпускал трелевочный трактор КТ-352Т. Это были последние серийные газогенераторы.

Трудности использования газогенераторных установок

Самой большой трудностью было создание долговечной и эффективной камеры сгорания – выбор конструкции и материала. Были испытаны керамика, углеродистая сталь с алюминиевым покрытием, кремнистый чугун, жаропрочная хромоникелевая сталь. Последняя давала наилучшие результаты, но никель был дефицитен и импортировался. Выполненные же из других материалов камеры сгорания оказывались недолговечными – быстро прогорали.

Газогенераторные установки (генератор, охладители и очистители газа) были довольно громоздкими и тяжелыми. Их масса колебалась от 400 до 600 кг. В результате газогенераторная модификация, скажем, грузовика ЗИС-5 теряла полтонны грузоподъемности. Очень сложно компоновалась вся система на легковом автомобиле, что требовало инженерной изощренности от конструкторов.

Как известно, при переводе с бензина на газ мощность двигателя внутреннего сгорания падает. Для компенсации такой потери приходится увеличивать степень сжатия. Так, на ГАЗ-М1-Г она была увеличена с 4,6 до 6,4. Кроме того, его двигатель был оборудован впускным коллектором без подогрева отработавшими газами (ненужного при газовом топливе) и отдельные детали подверглись некоторым переделкам. Несмотря на эти меры, мощность двигателя достигала только 37 л. с., а максимальная скорость – 87 км/ч. Расход древесных чурок составлял 32 кг на 100 км пути.

Несмотря на все дополнительные трудности по обслуживанию газогенераторных установок, десятки тысяч оснащенных ими автомобилей как в предвоенный период, так и в годы войны помогли существенно сэкономить жидкое топливо. Но уже с середины 50-х годов интерес к газогенераторным двигателям резко пошел на убыль. Это было связано с разработкой огромных запасов нефти в Западной Сибири. В настоящее время в условиях постоянного удорожания нефтепродуктов и природного газа, газогенераторные установки снова начинают становиться актуальными. Принцип газификации твердого топлива эффективно реализован в пиролизных котлах Буржуй-К, отличительной особенностью которого является экономичность, полная автономность и доступная цена.