Всё о газогенераторах

Всё о газогенераторах

Если думает, что двигатели внутреннего сгорания, которые работают на дровах, давно канули в лету, то глубоко заблуждаются. Сейчас тоже существуют электростанции и машины, для которых роль энергоносителя выполняет дерево. Конечно не само дерево, а газ, который выделяется при его сжигании в определённых условиях. Для вырабатывания такого газа используются специальные установки, называемые газогенераторами и успешно применяемые в промышленности на протяжении многих лет. В этой статье мы постараемся подробно рассказать, что из себя представляют газогенераторы, как они работают и можно ли их изготовить самостоятельно.

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.

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

Принцип работы газогенераторного электрооборудования

Принцип работы газогенератора так же прост, как и его конструкция. Компрессор закачивает атмосферный воздух под давлением в камеру сгорания. Туда же поступает газообразное топливо, после чего смешивается с атмосферным воздухом. В результате образуется гремучая смесь, которая поджигается и детонирует внутри камеры сгорания. В ходе этой реакции образуется топочный газ, идущий на турбину и раскручивающий ее.

Процесс сгорания газообразного топлива осуществляется при постоянном высоком давлении. Камера сгорания используется для повышения температуры газа. Горячий газ обладает заметно большей энергией по сравнению с холодным или теплым, поэтому генератор работает более эффективно. Приблизительно 60% вырабатываемой турбиной электроэнергии направляется на вращение компрессора. Остальное уходит на включение генератора.

Мощность газогенератора в виде электрической энергии создается благодаря тому, что вал, соединяющий турбину и ротор, раскручивает ротор. В статоре образуется магнитное поле, а вместе с ним – электрический ток. Далее он через контакты и провода поступает к подключенным потребителям. Теперь вам известно внутреннее устройство и то, как работает газогенератор.

Итоги

Выше приведены лишь несколько способов изготовления газогенератора своими руками. Но все они позволяют получить по-настоящему надежное и эффективное устройство, обеспечивающее следующими преимуществами:

• — более низкими затратами топлива (КПД котла — от 90%);
• — продолжительным процессом горения. Для дров он составляет около 20 часов, а для древесного угля — около 7-8 суток. Возможностью применения любого топлива, будь это древесина, солома или жмых.
• В ряде случаев в топку можно класть целые поленья (при соответствующих размерах бака);
• — надежностью и простотой эксплуатации. Чистка поддувала или дымохода если и должна производиться, то редко.

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.

Как работает силовая установка

Автомобили, в которых установлено такое устройство, используют в виде топливной смеси газ, вырабатываемый при сжигании дров, угля или других компонентов. Принцип действия газогенератора на автомобиль, выполненного своими руками основан на неполном сгорании углерода. При этом выделяется третья часть энергии и, следовательно, полученный газ имеет меньшую теплоту сгорания, чем исходный материал.

Смотрим видео, о газогенераторах и принцип работы:

В процесс сжигания древесины или угля с добавлением пара происходит экзотермическая реакция между образующимся составом и водой, что в свою очередь приводит к разделению смеси на водород и углекислый газ. Это приводит к снижению температуры вырабатываемого вещества и в то же время повышает КПД до 80%.

Возможно использование газа без охлаждения, в случае полного сжигания твердого топлива. При этом КПД газификации может достигать 100%.

Но так как в процессе очистки происходит разбавление газа азотом, то его калорийность получается низкой. Но в то же время для его сгорания используется меньше воздуха, следовательно, он ненамного уступает традиционным топливовоздушным смесям.

Газоагрегат для автомобиля своими руками

Одним из самых простых агрегатов будет собранный на основе старого газового баллона. При этом все остальные комплектующие также легко найти и стоят они недорого. Итак, приступаем к сборке автомобильного газогенератора своими руками.

Баллон выполняет функции корпуса. Внутри он разделен на две зоны:

• Загрузки;
• Горения.

И здесь же находится сердцевина газогенератора. Возможно в качестве корпуса использовать и металлический ящик, сваренный из стальных листов.

Но все же лучшим вариантом является баллон, поскольку места сварки со временем могут прохудиться, что приведет к аварийной ситуации. Важно учитывать и то, что при если внутри генератора будет скапливаться газ, то это может привести к взрыву, поэтому лучше собирать конструкцию таким образом, чтобы он сразу выходил в двигатель. Схему газогенератора для автомобиля вы сможете найти в сети.

Смотрим видео, этапы работ:

Но, выбрав за основу газовый баллон, необходимо учесть и то, что в нем может остаться смесь и при резке это способно вызвать небольшой взрыв. Чтобы избежать этого нужно или продуть его сжатым воздухом или разрезать, заполнив водой.

Далее вырезается дно и прорезается горловина под загрузку топлива. Крышка должна быть удобной для того чтобы засыпать древесные отходы. Затем выполняется колосниковая решетка. При этом нужно учитывать, что на нее будет приходиться термическая нагрузка.

Следующий этап – подготовка крышки для бункера. Она может быть выполнена из листа металла, но обязательно изолирована асбестовым шнуром. Чтобы он не пригорал нужно обработать его графитовой смазкой. Купить его можно на хозяйственном рынке.

Далее изготавливается фурма, на которую будет приходиться основная термическая нагрузка, а также фильтр. Если в качестве топлива предполагается использование дров или угля, то эта составляющая является обязательной, так как позволит избавиться от большого количества взвешенных частиц пыли, содержащихся в них. И для того чтобы избежать их попадания в карбюратор и используется фильтр.

Следующая деталь – радиатор. Он может быть выполнен из дюралевых батарей отопления или обычных водопроводных труб. Нужно учитывать, что проходное сечение радиатора должно превышать размер присоединенных к нему труб. Это поможет избежать сопротивление газу при прохождении по нему.

Продолжаем делать агрегат своими руками видео 2:

Последняя деталь – это фильтр очистки. Он может быть выполнен из современных и недорогих материалов, которые легко поддаются чистке и имеют большой срок службы. Чертеж газогенератора для авто легко найти в сети.

Далее остается зафиксировать газогенератор в багажнике и подключить его к двигателю. Для этого подводится трубка, по которой древесный газ будет поступать в мотор. Вместе с ним остается и основное горючее – бензин. И последний шаг – отрегулировать калорийность консистенции.

Эффективность применения газового генератора для авто

В чем же заключается преимущество использования таких агрегатов? В первую очередь в том, что в них применяется топливо, не требующее какой-либо обработки. При этом в таких автомобилях энергия не нужна.

Еще одним плюсом является способность устройств, производящих древесный газ, самозаряжаться. Поэтому нет необходимости устанавливать на автомобиль мощный химический аккумулятор, который к тому же достаточно сложно утилизировать при выходе из строя. В то же время отходами газогенератора является зола, а это как известно прекрасное удобрение.

Но все же самым главным достоинством таких автомобильных генераторов считается их экологическая безопасность. При правильно сконструированном газогенераторе в воздушное пространство попадает намного меньше вредных веществ, чем от работы дизельного или бензинового двигателя.

Однако и некоторые недостатки у самодельных газогенераторов для авто имеются. И одним из них является достаточно большой размер установки. Это связано с тем, что древесный газ обладает низкой удельной энергией.

Еще один минус – невозможность достигнуть скорости как при работе на бензине. Это связано с тем, что в древесном газе находится до 50% азота, который не поддерживает горение. Поэтому двигателя достается мало топлива, чем и вызвано снижение его мощности.

К тому же процесс горения происходит достаточно медленно, что не позволяет использовать высокие обороты. Этот аспект приводит к снижению динамических характеристик транспорта.

Естественно, такие автомобили весьма неудобны в эксплуатации, потому что выйти на рабочую температуру генератор может только через 10 минут после запуска. Так что сесть за руль и уехать, как в обычном авто не получится.

Между заправками нужно извлекать золу, что также не добавляет популярности газогенератору. Образование смол, при сжигании древесины, требует использования фильтров, которые нуждаются в регулярном обслуживании.

В общем хотя идея создать автомобиль, работающий на дровах и имеет ряд достоинств, все же она требует дальнейшего усовершенствования. Пока же такое транспортное средство далеко не идеально и нуждается в дополнительном обслуживании, если сравнивать с бензиновыми моделями.