Puukaasu

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun
Puukaasukäyttöinen ruotsalainen ns. EPA-traktori.
Jooseppi Vainio täyttää Vainion Liikenteen linja-auton häkäpönttöä 1940-luvulla

Puukaasulla tarkoitetaan pyrolyysin tuloksena puusta korkeassa lämpötilassa vähähappisen palamisen avulla tuotettua vahvasti hiilimonoksidi- eli häkäpitoista kaasua, jota voidaan käyttää erilaisten polttomoottoreiden polttoaineena. On olemassa myös puukaasukäyttöisiä liesiä, joita on suunniteltu etenkin kehitysmaita varten.

Puukaasua käytettiin paljon sota-aikaan turvaamaan siviililiikenteen polttoaineensaanti. Puukaasua kehittäviä puukaasutinlaitteistoja kutsuttiin myös häkäpöntöiksi ja sitä polttoaineena käyttäviä autoja häkäpönttöautoiksi. Laitteistoja rakennetaan edelleenkin harrastelijapiireissä, joista yksi tunnetuimpia on Suomen ekoautoilijat ry.

Historia[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Ensimmäisen puukaasuttimen rakensi Bischof vuonna 1839. Ensimmäisen puukaasutin käyttöisen ajoneuvon rakensi Thomas Hugh Parker vuonna 1901[1]. Saksassa oli käytössä 500 000 puukäyttöistä ajoneuvoa toisen maailmansodan aikana.[2]

Toimintaperiaate[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Puukaasuttimen toimintaperiaate on yksinkertainen ja edullinen valmistaa. Sota-aikana, kun tarvikkeita ei ollut saatavilla niitä käytettiin paljon.

Termiä puukaasu käytetään kaikesta puusta kuumentamalla sekä vaillinaisella polttamisella saatavasta kaasusta. Laitetta, jolla puukaasua tuotetaan kutsutaan puukaasuttimeksi. Kaasuttimissa on kahta erilaista toimintaperiaatetta, myötävirtakaasutin ja vastavirtakaasutin. Tyyppien nimitys tulee siitä virtaavatko kaasut polttoaineen kanssa samaan vai vastakkaiseen suuntaan. Tyyppien eri nimitys johtuu siitä johdetaanko paloilma alhaalta vai yläpuolelta suhteessa pelkistyshiilikerrokseen. Lisäksi erotellaan kaasuttimen arinatyypin mukaan kiinteäkerroskaasuttimet ja leijupetimallit.

Vastavirtakaasuttimissa tuotekaasu kulkee tuoreen polttoaineen läpi ja siihen tulee korkea tervapitoisuus, mistä syystä kehittyvän kaasun lämpöarvo on myös merkittävästi korkeampi kuin myötävirtakaasuttimessa. Leijupetikaasuttimet sijoittuvat tervapitoisuudessa vasta- ja myötävirtakaasuttimien väliin ja nillä päästään vain kohtalaisesti tervaa sisältävään kaasuun. Vastavirtakaasutin skaalautuu koossa ylöspäin lähes rajoituksetta. Vastavirtakaasutin sietää myös pientä palakokoa – sahanpurua tms. – ja kosteata polttoainetta – jopa 60 prosenttiin asti. Hakelämmityksissä yleinen stoker-poltin on eräänlainen vastavirtakaasutin.

Myötävirtakaasuttimessa paloilma johdetaan pelkistyshiilikerroksen yläpuolelle ja siihen kohtaan muodostuu palovyöhyke, jonka yläpuolella polttoaine hiiltyy ja valuu vasta hiiltyneenä palovyöhykkeen läpi pelkistyskerrokseen. Kaikki polttoaineesta peräisin olevat pyrolyysikaasut joutuvat kulkemaan valkohehkuisen palovyöhykkeen läpi ja krakkautuvat täydellisesti. Saatava tuotekaasu on siten lähes tervatonta (0,4 ppm) ja soveltuu moottorikäyttöön. Myötävirtakaasutus tunnetaan myös nimellä käännetty palo.

Laitteiston toiminta perustuu niin sanottuun palamattomaan tuleen, eli palamisilma johdetaan tulipunaisena hehkuvan hiilikerroksen läpi, kuten normaalissakin palotapahtumassa, mutta sille ei anneta tarpeeksi happea. Tarpeeksi korkeassa lämpötilassa syntyy häkää. Häkää on kaasussa normaalisti noin 20 % ja se soveltuu polttomoottorin käyttämiseen niin bensiini- kuin dieselmoottoreissakin.

Puukaasu palaa auton moottorissa erittäin puhtaasti. Päästöt ovat puukaasukäytössä alhaisemmat kuin bensiinillä käytettäessä, ja vanhankin auton moottorin pakokaasut alittavat 0,2 % CO ja 20 ppm HC pitoisuuden ilman katalyyttistä puhdistusta.[3] Puukaasulle on mahdollista käyttää normaaleja autoissa käytettäviä pakokaasukatalysaattoreita päästötason alentamiseksi. Kaasun palaessa ei synny hiukkasia, mistä syystä esim. moottoriöljyn mustuminen puukaasukäytössä on hyvin vähäistä.

Puukaasujärjestelmän hyötysuhde on korkea. Kaasutus hävittää vain noin 25 prosenttia polttoaineen energiasta lämmöksi eikä puupohjaiselle polttoaineelle tarvita mitään muuta jalostusprosessia. Perustuen pitkäaikaisiin käytännön kokeisiin todellisessa liikenteessä, puukaasutinperävaunulla varustettu Lincoln Mark V:n on todettu kuluttavan käytännössä 1,54 kertaa enemmän energiaa kuin sama auto kuluttaisi bensiinillä ajettaessa vastaavissa ajo-olosuhteissa. Näin ollen 1000 kg puuta on todettu korvaavan 385 litraa bensiiniä.[3] Tarkastelutapa huomioi puukaasuttimen esilämmityksen ja kaasutinperävaunun tuoman lisämassan sekä lisääntyneen ilmanvastuksen. Tarkastelu ei huomioi öljynporauksen ja jalostuksen häviöitä, jotka olisi syytä huomioida etenkin jalostuksen siirtyessä öljyhiekkaan ja bitumiin. Puupolttoaineen pilkkominen vaatii hyvin vähän energiaa. Puukaasulla toimiva auto ei tarvitse mitään muuta polttoainetta mutta puukaasujärjestelmän rinnalle autoon voidaan lisäksi asentaa toinen polttoainejärjestelmä esim. alkoholia, bensiiniä tai maakaasua varten.

Ennen ajoonlähtöä puukaasutin tulee esilämmittää. Tämä vaatii käytettävästä polttoaineesta riippuen aikaa 5–10 minuuttia. Nopeimmin puukaasutin lämpenee kuivalla puupohjaisella polttoaineella, hiilikaasutin lämpenee nopeammin. Kun puukaasukäyttöisellä autolla lähdetään liikkeelle, teho on aluksi normaalia heikompi mutta saavuttaa järjestelmälle tyypillisen tason viiden minuutin kuluessa liikkeelle lähdöstä. Syynä puukaasun käytön vähäisyyteen eivät ole auton suorityskyky tai toiminta vaan viranomaisten asettamat rajoitukset, jotka rajaavat puukaasun vain vanhojen, ei-vähäpäästöisiksi luokiteltujen ajoneuvojen käyttövoimaksi.[3] Nestemäisiin polttoaineisiin verrattuna ajomatka on yhdellä polttoainelisäyksellä verraten lyhyt ollen laitteiston rakenteesta ja mitoituksesta riippuen tyypillisesti korkeintaan 300 km. Polttoainetta voi kuitenkin kuljettaa autossa helposti mukana huomattavasti pidempääkin matkaa varten ja polttoainetta on mahdollista lisätä kaasuttimeen matkan aikana. Polttoaineeksi soveltuu lähes kaikenlainen kappalemuodossa oleva kasvisperäinen kuiva biomassa. Polttoaine ei saa olla purumaista tai pölymäistä.

Rakenne[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Imbert-puukaasutin

Puukaasutinlaitteisto koostuu kaasuttimesta, johon polttoainesäiliö on yleensä rakennettu. Sen jälkeen kaasu viedään kipinänsammuttajaan, josta kaasu ohjataan suodattimille ja edelleen jäähdyttäjän kautta moottorin kaasunsekoittajaan.

Kaasu johdettiin sota-aikana syklonin kautta jäähdyttimeen, jotta noin 20 % vesihöyryä sisältänyt kaasu saataisiin jäähtymään ja kuivumaan. Nykylaitteistoissa käytetään lasikuitukangassuotimia ennen jäähdytystä jotta saadaan kondenssivesi puhtaammaksi.

Kipinänsammutinta käytetään laitteistossa, koska sota-aikaan suodattimet olivat yleensä kutterinpurusta ja korkista valmistettuja. Nämä ovat varsin hyvin palavaa materiaalia, joten kipinän pääseminen suodattimeen olisi polttanut suodattimet ja päästänyt kaasun sellaisenaan moottoriin.

Suodatin ei pala, koska happea ei ole saatavilla. Ilmaa kaasuun sekoitetaan vasta moottorin imusarjassa. Kipinät sammuvat tehokkaasti syklonissa, jos laitteistossa on sellainen.

Suodatinta käytetään poistamaan kaasusta ylimääräinen noki ja isoimmat partikkelit. Suodatin tehtiin sota-aikaan yleensä korkista ja kutterinpurusta eivätkä muutkaan variaatiot olleet harvinaisia. Terva ei höyrymäisestä olomuodostaan johtuen jää täydellisesti suodattimeen vaan jatkaa matkaansa suodatinlaitteistossa. Nykyään moni rakentaa suodattimet lasikuitukankaasta ja rautaverkosta. Tarpeeksi suuren poikkipinta-alan omaava ja oikein suunniteltu suodatin ei tarvitse suurempaa huolenpitoa. Ajoneuvon tärinä irrottaa lasikuitukankaaseen kertyneet nokikertymät laattoina kammion pohjalle.

Terva poistuu kaasunkehittimen palotilan tuhatasteisessa kuumuudessa krakkautumalla. Jos tervaa pääsee läpi on kaasunkehitin väärin mitoitettu tai sitä käytetään väärissä olosuhteissa.

Esimerkiksi pitkät tyhjäkäyntijaksot voivat aiheuttaa tervan tulemista läpi. Tämä johtuu siitä, että lämpöä ei ole riittävästi joka kohdassa tervan krakkautumiseksi. Polttoaineen palakoolla on myös merkitystä tervan krakkautumiseen. Liian pieni koko tukkii palamisilman virtaamisen suuttimista kaasuttimen keskilinjalle ja keskilinjalta valuu palamatonta polttoainetta pelkistyskerrokseen, jossa se luovuttaa tervaa. Liian suuri palakoko ei taas ehdi hiiltyä sisältä ennen pelkistyskerrokseen joutumistaan.

Käytännön ajoneuvoon tarkoitetuissa puukaasuttimissa palakoko vaihtelee tulitikkuaskin kokoisesta parin tupakka-askin kokoiseen palaan.

Jäähdytin poistaa kaasusta siihen kertyneen kosteuden. Kondensioveden mukaan tarttuu myös puista muodostunut suolahappo ja terva. Suolahapon pitoisuus kondensiovedessä on pieni, mutta määrä riittää aiheuttamaan korroosiota laitteistossa ja ärsyttämään ihoa.

Jäähdytin parantaa myös moottorin hyötysuhdetta jäähdyttämällä kaasua. Jäähtynyt kaasu on tiiviimpää. Jäähdyttimeen kertyy myös suodattimen läpäisseitä noki-, terva- ja pienpartikkeleja jotka muodostavat huoltamattomassa ja puhdistamattomassa laitteistossa ilmavastusta putkistoissa ja jäähdyttimen kanavissa.

Puussa ei ole juuri klorideja, joista suolahappoa voisi syntyä. Teoriassa, jos kaasuttaisi esimerkiksi PVC-muovia, näin voisi tapahtua. Sen sijaan _polttoainetilassa_ muodostuu etikkahappohöyryjä. Näistä ei ole yleisesti harmia, sillä oikein tehdyssä kaasuttimessa ne joutuvat kulkemaan tuhatasteisen hiilikerroksen läpi ja hajoavat näin täydellisesti. Oikein rakennetussa laitteistossa jäähdytinkondenssi on lähinnä emäksistä, johtuen pääosin ammoniakista ja pienestä määrästä kaliumia.

Kaasunsekoitin sekoittaa puukaasun ja ilman sopivaan suhteeseen. Kaasunsekoittajassa sijaitsee yleensä myös moottorin käyntinopeuteen vaikuttava läppä.

Kaasunsekoittajassa on yleensä kaksi läppää, joista toinen tukkii imuilman kanavaa ja toisella vaikutetaan moottorin saaman ilman ja kaasun määrään. Käynnistyksen yhteydessä voidaan imuilmaläppä sulkea ja antaa moottorin imeä kaasua kehittimeltä, jotta saadaan putkissa oleva häkää sisältämätön kaasu pois.

Samalla saadaan suodatin, jäähdytin ja putkilinjat tervaiseksi. Kehittimen käynnistys pitää tapahtua joko imurilla tai puhaltimella. Käynnistysvaiheessa kaasu johdetaan suoraan kehittimestä ulos.

Kun kehittimen hiilikerros on lämmennyt riittävästi tervan krakkautumiseksi, kaasu johdetaan koko laitteiston kautta. Yleensä kehittimen lämpenemiseen menee tehokkaalla puhaltimella kahdesta viiteen minuuttia sytytyksestä laskien. Sodanaikaisissa kehittimissä oli käynnistystä varten imuri. Oli jopa malleja, joissa imuria pyöritettiin käsikammella.

Osat[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Kaasunkehittimen 'sydän koostuu yleensä rungosta, suuttimista, tulipesärenkaasta ja arinasta. Kehitin mitoitetaan yhdelle moottorille ja tähän vaikuttaa eniten moottorin litratilavuus ja kierrosluku, jolla moottoria halutaan käyttää.

Kehittimen rungon halkaisija, jossa kriittisimmät osat ovat kiinnitettyinä, on yleensä 20–35 cm. Runko on yleensä noin 30 cm pitkä ja muodoltaan yleensä pyöreä mutta myös neliönmuotoisia variaatioita on nähty. Neliönmuotoisissa kulmiin jää yleensä huonosti palanutta materiaalia.

Ylimmäisenä muutaman sentin yläreunasta ovat suuttimet.

Suuttimia on yleensä 6–12 kpl. Suuttimien halkaisija on polttoaineesta ja moottorista riippuen 6–14 mm. Pituus vaihtelee polttoaineesta riippuen, mitä tiheämpi polttoaine, sitä enemmän pituudessa on hajontaa. Yleensä pituudeksi voidaan sanoa noin 6–12 cm.

Tulipesärengas, joka tunnetaan myös nimellä nielu, on suuttimista noin 12 cm alaspäin. Nielussa on keskellä reikä, jonka halkaisija vaihtelee moottorin ominaisuuksien mukaan. Reiän halkaisija on yleensä 6–12 cm. Tulipesärengas tiivistetään pesään reunoilta ja näin palamiskaasut kulkevat keskeltä. Tämä on tärkeää riittävän korkean palolämpötilan saavuttamiseksi. Liian matalassa lämpötilassa kaasuun muodostuu tervaa. Myös reunavuodot aiheuttavat palamisvyöhykkeen vääristymiä, jolloin palotapahtuma ei välttämättä muodosta riittävän kuumaa aluetta.

Arina on tulipesärenkaan alapuolella, noin 15–20 cm päässä. Arina valmistetaan yleensä renkaanmuotoiseksi, koska se kerää parhaiten pituussuunnassa tapahtuvan lämpövaihtelun. Pienijakoista polttoainetta käytettäessä arina on pyrittävä tekemään liikkuvaksi. Pienijakoinen polttoaine tukkii arinaraudat ja estää tuhkaa poistumasta. Yleensä arina on kiinnitetty ketjuilla kehittimen runkoon ja arina saa ajon aikana tarvittavan liikkeen.

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. Thomas Hugh Parker
  2. http://www.ianbyrne.free-online.co.uk/german30.htm#genkraft
  3. a b c Mikkonen Vesa, Ajoneuvoon asennettavan puukaasuttimen rakennusohjeet, 2010

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]