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. Esnsimmäisen 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 varsin yksinkertainen ja täten varsin edullinen valmistaa myös sota-aikaan, kun tarvikkeita ei ole saatavilla.

Itse asiassa termiä puukaasu käytetään kaikesta puusta kuumentamalla tai/sekä vaillinaisella polttamisella saatavasta kaasusta. Laitetta, jolla puukaasua tuotetaan kutsutaan puukaasuttimeksi. Kaasuttimissa on käytännössä kahta erilaista toimintaperiaatetta, myötävirtakaasutin ja vastavirtakaasutin. Tyyppien nimitys tulee siitä virtaavatko kaasut polttoaineen kanssa samaan suuntaan vai vastakkaiseen. Eli 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 näiden 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 näin moottorikäyttöön. Loppuartikkeli käsittelee myötävirtakaasutusta, tunnetaan myös termillä käännetty palo.

Laitteiston toiminta perustuu niin sanottuun palamattomaan tuleen, eli palamisilma johdetaan tulipunaisena hehkuvan hiilikerroksen lävitse, kuten normaalissakin palotapahtumassa, mutta sille ei anneta tarpeeksi happea ja tilaa palaa puhtaasti. 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 puukaasukäyttössä 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 edelleen. 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 moottoribensiiniä.[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 öljyhiekan ja bitumin suuntaan. 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 vielä tätäkin 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 ja toiminta vaan laitteiston vaatima suhteellisen työläs ylläpito ja viranomaisten asettamat rajoitukset, jotka rajaavat puukaasun vain vanhojen, ei-vähäpäästöisiksi luokiteltujen ajoneuvojen käyttövoimaksi.[3] Vaikka puukaasulaitteiston toimintaa on pystytty kehittämään merkittävästi käyttäjäystävällisemmäksi, erityisesti polttoaineen valmistus ja käsittely on työlästä. Nestemäisiin polttoaineisiin verrattuna myös 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 itse kaasuttimesta, johon polttoainesäiliö on yleensä rakennettu. Tämän jälkeen kaasu viedään kipinänsammuttajaan. Tästä kaasu jatkaa matkaansa suodattimille ja edelleen jäähdyttäjän kautta moottoriin kaasunsekoittajalle.

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

Kipinänsammutinta käytetään laitteistossa, koska sota-aikaan suodattimet olivat yleensä kutterinpurusta ja korkista valmistettuja. Nämä ovat itsessään 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 imusarjan luona. Kipinät sammuvat tehokkaasti syklonissa, jos sellainen laitteistossa on.

Suodatinta käytetään poistamaan kaasusta ylimääräinen noki ja isoimmat partikkelit. Suodatin tehtiin sota-aikaan yleensä korkista ja kutterinpurusta. Muutkaan variaatiot eivät 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 pitäisi poistua kaasunkehittimen palotilan tuhatasteisessa kuumuudessa krakkautumalla. Jos tervaa pääsee läpi, on kaasunkehitin väärin mitoitettu tai rakennettu tai sitä käytetään väärissä käyttöolosuhteissa.

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 tuloon. Liian pieni koko tukkii palamisilman virtaamisen suuttimista kaasuttimen keskilinjalle ja keskilinjalta valuu palamatonta polttoainetta pelkistyskerrokseen, jossa se luovuttaa massiiviset määrät tervaa. Liian suuri palakoko ei taas ehdi hiiltyä sisältä ennen pelkistyskerrokseen joutumistaan ja taas tulee tervaa kaasuun.

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 tämäkin määrä riittää aiheuttamaan korroosiota laitteistossa ja ärsyttämään ihoa.

Jäähdytin parantaa myös moottorin hyötysuhdetta jäähdyttämällä kaasua. Jäähtynyt kaasu on tiiviimpää ja näin ollen saavutetaan parempi sylinterien täyttöaste. Jäähdyttimeen kertyy myös suodattimen läpäisseitä noki-, terva- ja pienpartikkeleja. Nämä muodostavat huoltamattomassa ja puhdistamattomassa laitteistossa pitemmän päälle 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. Tässä samassa 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. Monesti käynnistyksen yhteydessä imuilmaläppä suljetaan ja annetaan moottorin imeä kaasua kehittimeltä. Näin putkissa oleva, häkää sisältämätön kaasu, saadaan pois.

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

Kun kehitimen hiilikerros on lämmennyt riittävästi tervan krakkautumiseksi, käydään kaasua johtamaan lopun laitteiston kautta. Yleensä kehittimen lämpenemiseen menee tehokkaalla puhaltimella kahdesta viiteen minuuttiin sytytyksestä laskien. Sodanaikasissa kehittimissä oli imuri käynistystä varten. 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. Pituutta rungolla on yleensä noin 30 cm. Muodoltaan runko on yleensä pyöreä, mutta myös neliön muotoisia variaatioita on nähty. Näissä kulmiin jää yleensä huonosti palanutta materiaalia ja näin ollen se ei ole luotettavuuden kannalta paras mahdollinen muoto.

Ylimmäisenä muutaman sentin yläreunasta ovat suuttimet.

Suuttimien halkaisija on polttoaineesta ja moottorista riippuen 6–14 mm. Suuttimia on yleensä 6–12 kpl. Näiden pituus vaihtelee myös polttoaineesta riippuen. Yleensä 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 suuresti moottorin ominaisuuksien mukaan. Tämän reiän halkaisija on yleensä 6–12 cm. Tulipesärengas tiivistetään pesään reunoilta ja näin palamiskaasut kulkevat keskeltä. Tämä on tärkeää riittävän korkean palolämpötilan saamiseksi. 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

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]