Машина на дровах принцип работы
Если вы хотите узнать когда выйдет очень подробный видеокурс как самому сделать чтобы автомобиль ехал на дровах (древесине) который я сейчас готовлю — оставляйте в комментариях емаилы — я вас оповещу. Или напишите мне сюда info@lagunof.com
В 1990-х годах водород рассматривали в качестве альтернативного топлива будущего. Затем большие надежды возлагались на биотопливо. Позже большое внимание привлекло развитие электрических технологий в автомобилестроении. Если и эта технология не получит дальнейшего продолжения (тому есть объективные предпосылки), тогда наше внимание вновь сможет переключиться на газогенераторные автомобили.
Несмотря на высокое развитие промышленных технологий, использование древесного газа в автомобилях, представляет интерес с экологической точки зрения, по сравнению с другими альтернативными видами топлива. Газификация древесины несколько более эффективна, по сравнения с обычным сжиганием древесины, так как при обычном сжигании теряется до 25 процентов содержащейся энергии. При использовании газогенератора в автомобиле возрастает потребление энергии в 1,5 раза по сравнению с автомобилем работающем на бензиновом топливе (включая потери на предварительный нагрев системы и увеличение веса самой машины). Если принять к сведению, что необходимая для нужд энергия транспортируется, а затем вырабатывается из нефти то и газификация древесины остается эффективна по сравнению с бензином. Так же следует учитывать, что древесина является возобновляемым источником энергии, а бензин нет.
Преимущества газогенераторных автомобилей
Самое главное преимущество газогенераторных автомобилей заключается в том, что в нем используется возобновляемое топливо без какой-либо предварительной обработки. А на преобразование биомассы в жидкое топливо, такое как этанол или биодизель, может расходоваться энергии (в том числе и СО2) больше, чем содержится в изначальном сырье. В газогенераторном автомобиле для производства топлива энергия не используется, за исключением порезки и рубки древесины.
Газогенераторный автомобиль не нуждается в мощных химических аккумуляторных батареях и это является преимуществом перед электромобилем. Химические аккумуляторы имеют свойство саморазряжаться и нужно не забывать их заряжать перед эксплуатацией. Устройства, вырабатывающие древесный газ являются, как бы, натуральными аккумуляторами. Отсутствует необходимость в высокотехнологичной обработке отработавших и неисправных химических аккумуляторных батарей. Отходами работы газогенераторной установки является зола, которая может быть использована в качестве удобрения.
Правильно сконструированный автомобильный газогенератор значительно меньше засоряет воздушное пространство, чем бензиновый или дизельный автомобиль.
Газификация древесины значительно чище, чем непосредственное сжигание древесины: выбросы в атмосферу сопоставимы с выбросами при сжигании природного газа. При эксплуатации электромобиль не засоряет атмосферу, но позже, для зарядки аккумуляторов нужно приложить энергию, которая, пока что добывается традиционным путем.
Недостатки газогенераторных автомобилей
Несмотря на многие преимущества в эксплуатации газогенераторных автомобилей, следует понимать, что это не самое оптимальное решение. Установка, производящая газ, занимает много места и весит несколько сотен килограммов – и весь этот «завод» приходится возить с собой и на себе. Газовое оборудование имеет большой размер из-за того, что древесный газ имеет низкую удельную энергию. Энергетическая ценность древесного газа составляет около 5,7 МДж / кг, по сравнению с 44 МДж / кг у бензина и 56 МДж / кг у природного газа.
При работе на газогенераторном газе не удается достигнуть скорости и ускорения, как на бензине. Так происходит потому, что древесный газ состоит примерно из 50 процентов азота, 20 процентов окиси углерода, 18 процентов водорода, 8 процентов двуокиси углерода и 4 процента метана. Азот не поддерживает горение, а углеродные соединения снижают горение газа. Из-за высокого содержания азота двигатель получает меньше топлива, что приводит к снижению мощности на 30-50 процентов. Из-за медленного горения газа практически не используются высокие обороты, и снижаются динамические характеристики автомобиля.
Автомобили с небольшим объемом двигателя тоже можно оборудовать генераторами древесного газа (например, Opel Kadett на рисунке выше), но все же лучше оснащать газогенераторами большие автомобили с мощными двигателями. На маломощных двигателях, в некоторых ситуациях, наблюдается сильная нехватка мощности и динамики двигателя.
Сама газогенераторная установка может быть изготовлена и меньшего размера для небольшого автомобиля, но это уменьшение не будет пропорциональным размеру автомобиля. Были сконструированы газогенераторы и для мотоциклов, но их габаритные размеры сопоставимы с мотоциклетной коляской. Хотя этот размер значительно меньше, чем устройства для автобуса, грузовика, поезда или корабля.
Удобство использования газогенераторного автомобиля
Еще одна известная проблема газогенераторных автомобилей заключается в том, что они не очень удобны в использовании (хотя и значительно улучшились по сравнению с технологиями, используемыми во время войны). Тем не менее, несмотря на улучшения, современному газогенератору требуется около 10 минут, чтобы выйти на рабочую температуру, поэтому не получится сесть в автомобиль и немедленно уехать.
Кроме того, перед каждой последующей заправкой необходимо извлечь лопаткой золу – отработку предыдущего горения. Образование смол уже не так проблематично, чем это было 70 лет назад, но и сейчас это очень ответственный момент, так как фильтры должны очищаться регулярно и качественно, что требует дополнительного частого обслуживания. В общем, газогенераторный автомобиль требует дополнительных хлопот, полностью отсутствующих в работе бензинового автомобиля.
Высокая концентрация смертельного угарного газа требует дополнительных мер предосторожности и контроля от возможной протечки в трубопроводе. Если установка находится в багажнике, то не следует экономить на датчике СО в салоне автомобиля. Нельзя запускать газогенераторную систему в помещении (гараже), так как при запуске и выходе на рабочий режим должно быть открытое пламя (рисунок слева).
Все транспортные средств, описанные выше, построены инженерами любителями. Можно предположить, если бы было решено выпускать газогенераторные автомобили профессионально в заводских условиях, то, скорее всего, многие недостатки были бы устранены, а преимуществ стало бы больше. Такие автомобили могли бы выглядеть более привлекательно.
Например, в автомобилях Volkswagen, выпускаемых в заводских условиях во время Второй мировой войны, весь газогенераторный механизм был скрыт под капотом. С передней стороны в капоте находился только люк для загрузки дров. Все остальные части установки не были видны.
Еще один вариант газогенераторного автомобиля выпускаемого в заводских условиях – Mercedes-Benz. Как видно на фотографии ниже, весь механизм газогенератора скрыт под капотом багажника.
К сожалению, увеличение использования древесного газа и биотоплива может привести к образованию новой проблемы. И массовое производство газогенераторных автомобилей может усугубить эту проблему. Если начать значительно увеличивать количество автомобилей, использующих древесный газ или биотопливо, то в таком же количестве начнут снижаться запасы деревьев, а сельскохозяйственные земли будут принесены в жертву для выращивания культур, перерабатываемых на биотопливо, а это может привести к образованию голода. Использование газогенераторной техники во Франции во время Второй мировой войны стало причиной резкого уменьшения лесных запасов. Так же и другие технологии производства биотоплива приводят к уменьшению выращивания полезных для человека растений.
Хотя, наличие газогенераторного автомобиля может привести к более умеренному его использованию:
прогревать в течении 10 минут газогенератор или использовать велосипед для перемещения в магазин за продуктами – скорее всего выбор будет сделан в пользу последнего;
рубить в течении 3-х часов дрова для поездки на пляж или воспользоваться поездом – вероятно выбор будет в пользу последнего.
Как бы там ни было, газогенераторные автомобили не могут равняться с бензиновыми и дизельными автомобилями. Только глобальная нехватка нефти или очень большое удорожание ее сможет заставить нас пересесть на газогенераторный автомобиль.
Расход — 20 кг поленьев на сотню километров. Белорус создал машину, работающую на дровах
Из истории
Сергей всегда увлекался историей, в частности военной. Потому с ходу рассказывает о временах, когда подобные газогенераторы были на пике технологий: «Угольный газ использовался еще пещерными людьми. Известный факт, что в свое время освещение во всем Санкт-Петербурге обеспечивали именно газогенераторные установки. Современная история этого устройства начинается с 1919 года, когда германско-французский инженер Георг Имберт, вернувшись с Первой мировой, собрал газогенератор на древесном угле. Проходит два года, и изобретатель представляет автомобиль, чей мотор работает по этому же принципу, только с усовершенствованием».
«Камера Имберт обращенного типа» работала так, что пиролиз проходил не в цилиндрах (как у Форда или Порше), а в котле, который устанавливался за кабиной водителя. Пиролиз в нашем случае — это горение древесины при недостатке кислорода с выделением газа, который и крутит поршни двигателя (но об этом чуть позже). Так вот, Имберт достиг таких высот, что здание его компании Imbert Generatoren GmbH стояло рядом с заводом Форда в Кельне, как бы напоминая о конкуренции. В 30-х годах газогенераторы инженера ставили на немецкие грузовики, автомобили Opel и Mercedes. К моменту, когда созрел международный конфликт, вылившийся в итоге во Вторую мировую войну, Имберт придумал, как оборудовать своей установкой танки! И усовершенствованные бронированные машины действительно ездили и даже стояли на вооружении — в основном в «учебках» и частях вспомогательной полиции (по-простому — у полицаев).
Технология получила распространение не только в Германии. В конце 20-х — начале 40-х годов в СССР тоже активно использовали грузовики с газогенераторами. Серийно их устанавливали на АМО, ЗиС-21 (выпущено более 15 тыс. моделей), Урал-ЗиС. В те времена Союз испытывал нехватку нефти, а автомобилизацию останавливать было нельзя. Почему бы не «топить» машины дровами? Во время Великой Отечественной войны такие транспортные средства сильно пригодились благодаря нулевым затратам. Есть свидетельства, что именно на газогенераторных автомобилях прорывали блокаду Ленинграда.
Массовая добыча нефти началась в 50—60-х годах, и в итоге новое топливо понемногу вытеснило разработки ученых образца начала века. Газогенераторы снимали с машин и попросту отправляли в металлолом. Сейчас мы видим обратную тенденцию — отказ от ДВС, использование возобновляемых источников энергии. Например, по данным СМИ, в Швеции владельцев автомобилей, ездящих на дровах, поощряют на государственном уровне субсидиями. Для скептиков стоит пояснить, что газогенератор можно оборудовать на раме прицепа — в таком варианте он наиболее эстетичен.
Проект Сергея
В частном музее, который базируется в Бресте, стоит действующий ЗиС-5. Нескольким любителям автомобильной истории однажды пришла в голову лихая идея: а почему бы не поставить на «дедушку», который выпускался с 1933 года, газогенератор. Должно получиться — ведь в 1939-м подобный эксперимент с 21-й моделью закончился успешно. И Сергей решил повторить. Но почти 90-летний грузовик — раритет, антиквариат, поэтому мужчина не решился переделывать всю топливную систему столь редкого ныне образца советского автомобилестроения. Для пробы, освоения технологии он взялся за преобразование более современной техники — всем известного и довольно простого уазика. Модель была выбрана исходя из увлечений Сергея: трофи, бездорожье, 4×4.
Наверное, большинство читателей, только узнав о способе сборки газогенератора, махнули бы на эту затею рукой. Дело в том, что Сергей не стал покупать готовый образец или собирать его по схемам и чертежам. Он «высчитал» установку по формулам из книг 30-х годов. «В библиотеке, в сети нашел нужную литературу, — вспоминает конструктор. — Пришлось прочесть немало. Среди авторов есть и знаменитые фамилии: Токарев, Панютин. Но готового рецепта по сборке нигде не обнаружил. Есть только формулы. Создать газогенератор по ним — как заново сделать карбюратор. Нужно было высчитать скорость дутья, газификацию, объем нужного газа, материальный баланс — для двигателей разных объемов предусмотрены разные значения. Признаться, до сих пор не помню наизусть таблицу умножения, но эту штуку все же собрал. Ответами на вычисления по формулам стали размеры деталей установки и, собственно, сам чертеж. Ну а сборку производил из того, что было под рукой. На все ушел год».
Как это работает?
Топливом для газогенераторной установки (а в данном случае речь идет о монораторе) служат небольшие деревянные чурки. Причем совсем необязательно, чтобы они были сухими, сгорит и влажная древесина (до 60 процентов влажности) — в этом и отличие моноратора от обычного газогенератора. За задним рядом пассажирских сидений в машине Сергея лежат два мешка таких чурок. Говорит, что одного хватает на 100 километров пути. В пересчете на массу получается, что расход равен 20 кг дров на сотню. Естественно, постоянно подбрасывать дровишки в печь не нужно. Закинул в начале пути — и поехал.
Топливо загружается в бак через крышку, расположенную наверху камеры газификации (на фото — черная бочка в центре). Во время работы оттуда непрерывно идет дым. Крышка его не пропускает — таким образом, издалека машина не выглядит как паровоз. Перед запуском двигателя нужно подождать около 5—10 минут, чтобы туда поступил газ.
«Внизу камеры газификации дрова тлеют, — Сергей описывает механику работы установки. — Запуск горения — от спички или факела. Всего в камере протекают три процесса: термическое разложение топлива, окисление, восстановление. При горении топлива с обедненным количеством кислорода (пиролизе) протекают реакции окисления угля и углеводородов: С + О2 = CO2, 2H2 + O2 = 2H2O с выделением тепла. Потом идет реакция восстановления (при прохождении через слой раскаленных углей): С + CO2= 2СО, С + H2O = CO + H2 с потреблением тепла. Топливо в системе обращенного моноратора практически полностью разлагается. Для конденсата предусмотрена отдельная трубка, его можно слить».
Автомобиль на дровах: как он работает?
Это похоже на анекдот. Но тем, кто работал на лесоповале в тайге в 30-х, было не до смеха. Нет бензина — ехали на дровах. Да и по сей день эта технология до сих пор используется. Как устроены такие авто? Разбираем в деталях.
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»).
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.