Není pochyb, že elektrifikace železnic byla významným přínosem pro životní pro­středí a podílí se na opatřeních proti globálnímu oteplování. Avšak ne všechny tratě je možné nebo účelné elektrifikovat. Na neelektrifikova­ných tratích se v současnosti používají k pohonu železničních vozidel téměř výhradně vznětové motory. Ty jsou sice ekologičtější než někdejší parní stroje, ale bezexhalační rozhodně nej­sou. Přestože už je u nich minimalizována emise tuhých částic i HC, NOx a síry, stejně životní prostředí narušují. Zvyšují obsah oxidu uhličitého v atmosféře a přispívají tím ke globálnímu oteplování. Navíc partici­pují na čerpání omezených světových zásob ropy, čímž její cena samozřejmě poroste.

Situaci příliš nezlepší používání bionafty či alkoholů, vyráběných z rostlin. Ty sice předtím absorbovaly z ovzduší přesně stejné množství produkovaného CO₂, ale další CO₂ vznikající při výrobě těchto paliv a při pěstování a přepravě používaných rostlin není jejich růstem z ovzduší odstraňováno.  

Ekologicky i ekonomicky příznivější je používat jako palivo pro dopravní prostředky plyn získaný nedokonalým spalováním biomasy, především tedy dřeva. Množství CO₂  z dopravy dřeva a z jeho zpracování je totiž výrazně menší. Zdrojem pro vý­robu dřevo­plynu mohou být odpady z lesního hospodářství a z průmyslu dřevař­ského, celulózo-papírenského i nábytkářského, a také rychle rostoucí dřeviny, zejména japonský topol. Obavy, že používání dřeva jako zdroje energie povede k ubývání lesů, nejsou při rozumném hospodaření s nimi opodstatněné. Např. v Německu byl v době sepsání této zprávy roční přírůstek dřeva v lesích 122 milionů m³, ale spotřeba dřeva jen 76 milionů m³.

Porovnání vybraných pevných biopaliv použitelných pro výrobu plynu uvádí následující tabulka.[1]

*Cyklus sklizně japonského topolu je 2- 4 roky s hektarovým výnosem 60 - 100 tun surové štěpky (vlhkost 55%). Ekvivalent trvalého výkonu plantáže s japonskými topoly je 5 kW/ha.

Pohon dřevoplynem není však vhodný pro pohon silničních vozidel, a to z důvodů prostorových, hmotnostních i manipulačních[3]. Také se příliš nehodí pro velké energetické centrály, neboť oblasti se zdroji paliva pro ně by byly příliš rozsáhlé s důsledkem vyšších dopravních nákladů, jejichž produkce CO₂ není růstem kompenzována.

V případě železnice je tomu jinak. Lokomotivám především nevadí větší rozměry ani hmotnost dřevoplynového pohonu, ta je využita pro adhezi. Zásobníky dřeva na nádražích lze doplňovat z menších oblastí, než je oblast zdrojů paliva pro dřevoplynovou elektrárnu.

Složení dřevoplynu a jeho vlastnosti

Dřevoplyn je z energetického hlediska málo hodnotným palivem[4]. Na výstupu z generátoru je v něm totiž kromě značného množství nehořlavého dusíku také vodní pára. Energeticky nejpřínosnější složkou je jedovatý oxid uhelnatý následovaný vodíkem a metanem. Minoritními složkami jsou popel, dehet a organické kyse­liny. Ty je potřeba odstranit spolu s vodní párou, zejména pokud má být dřevoplyn použit jako palivo pro pístový spalovací motor.

Zápalná teplota dřevoplynu je cca 700 °C. Jeho hustota při 20 °C je 1,14 kg/m³. Žádná z jeho složek není tedy těžší než vzduch (1,25 kg/m³) s výjimkou malého množství nehořlavého CO₂. Složení dřevoplynu v procentech objemu znázorňuje následující obrázek s tabulkou (lit. 1).

Přínos hořlavých složek v dřevoplynu shrnuje následující tabulka (spalné teplo zahrnuje na rozdíl od výhřevnosti i kondenzační teplo vodní páry, i té, která vznikla hořením vodíku).

Hořlavé složky dřevoplynu a jejich vlastnosti

Dřevoplyn obsahuje v malých množstvích i další zdravotně škodlivé těkavé organické sloučeniny, zejména benzol[5], benzpyren, etylbenzol, alkylbenzol, xylol,  styrol, toluol, formaldehyd, naftalin. Zatímco generátory masově používané za 2. světové války byly podtlakové a škodlivé složky dřevoplynu nemohly nikde unikat, tak níže navrhovaný systém je přetlakový a musí být tedy u něj kladeny přísné požadavky na těsnost, zejména tam, kde se může vyskytovat obsluha. V pístovém motoru však tyto látky většinou shoří a zbytek prakticky odstraní „trojcestný“ katalyzátor.

Toxicita dřevoplynu

Na rozdíl od zemního plynu (CNG pro pohon aut) je dřevoplyn jedovatý. Může za to oxid uhelnatý vždy v něm přítomný. Ten má asi 210krát větší afinitu k hemoglobinu než kyslík, takže blo­kuje transport kyslíku krví. CO je sice o 3,5 % lehčí než vzduch, takže uniká vzhůru, ale v nedostatečně větraném prostoru by mohl způsobit otravu. Následky jsou závislé na jeho koncentraci ve vzduchu, jak uvádí následující tabulka.

Méně toxické plynné škodliviny SO₂ a NOx vznikají při spalování dřeva v menší míře než u běžných, dosud nejrozšířenějších paliv:

Dřevoplyn vzniká hořením dřeva za omezeného přístupu vzduchu. Zdrojem pro vý­robu dřevo­plynu mohou být odpady z lesního hospodářství a z průmyslu dřevař­ského, celulózo-papírenského, a nábytkářského, a také rychle rostoucí dřeviny, zejména japonský topol. Dřevo se stejně jako ostatní biopaliva nepodílí na vytváření skleníkového efektu. Při spálení jedné tuny dřevní hmoty se spotřebuje 1,2 tuny kyslíku a vyprodukuje 1,6 tuny oxidu uhličitého. Pro vzrůst jedné tuny dřevní hmoty se spotřebuje ze vzduchu rovněž 1,6 tuny oxidu uhličitého a do vzduchu se dodá 1,2 tuny kyslíku. Ekologicky neutrální to však není, neboť sklizeň a následná doprava využívá stroje poháněné benzínem či motorovou naftou.

Dřevoplynové generátory

Praxí ověřeny jsou tři typy generátorů: protiproudý, souproudý a fluidní. Všechny využívají gravitaci pro přesun pevného paliva do oblasti produkce plynu: jde o stojící kovové nádoby, nejčastěji válcového tvaru, izolované proti ztrátě tepla.

Protiproudý generátor má přívod vzduchu dole a odvod spalin nahoře, takže jejich proud vede proti klesajícímu, hořením ubývajícímu palivu. Pod oblastí hoření zajištěného přívodem vzduchu je na roštu zóna redukce. Nad oblastí hoření probíhá pyrolýza a úplně nahoře se palivo jen dosouší. Problémem tohoto generátoru je velký obsah dehtu v produkovaném plynu, což by vadilo zejména pístovým motorům. Vyžaduje také časté pohybování roštem.

Fluidní generátor je vhodný pro jemnozrnná paliva, např. pro piliny. Ty se vznáší v proudu spalin a vzduchu. Tento generátor nezvládá rychlé změny zatížení vyskytující se u silničních vozidel. V jím produkovaném plynu je hodně par dehtu (až 500 mg/m³). V jeho popelu se navíc vyskytuje nespálený uhlík.

Souproudý generátor se osvědčil jako zdroj dřevoplynu pro pístové motory, a to hlavně díky jen malé produkci nežádoucího dehtu. U něj proudí vzduch pro hoření shora dolů stejně jako sesouvající se palivo. Tyto generátory se masově uplatnily pro pohon vozidel za druhé světové války především v Německu a v zemích jím okupovaných. Šlo zejména o generátory Imbert, viz následující obrázek.

Souproudá koncepce dřevoplynového generátoru bude použita i u generátoru pro lokomotivu; proto je níže popsána důkladněji.

Ještě níže je zóna redukce, kde reaguje se žhoucím dřevěným uhlím část vodní páry vzniklé nahoře vysoušením a dole oxidací. Touto reakcí vznikají hlavní hořlavé složky dřevoplynu – oxid uhelnatý a vodík. Část vzniklého vodíku pak redukuje nehořlavý CO₂ na hořlavý CO za vzniku další vodní páry. Vodní páru je pak zapotřebí před vstu­pem do pístového motoru odstranit kondenzací.

Na vznik hořlavého CO se spotřebuje tepelná energie, a proto teplota v redukční zóně klesá na cca 950 °C. Vyskytuje se tam však i reakce tepelně neutrální  C + 2H₂ = CH₄ a reakce exotermická:
CO + 3 H₂ = CH₄ + H2O + 205,9 kJ/mol. Vzniklý CH₄ (metan) je pro zážehový motor výhodnější než vodík díky vyššímu oktanovému číslu.

Z kilogramu dřeva o 20% vlhkosti se vyrobí asi 2,5 m³ dřevoplynu. Výstupní teplota dřevo­plynu z přetlakového generátoru nebude patrně překračovat 1000 °C (u  generátorů s odsáváním plynuje to 950 °C). Generátor začne dodávat hořlavý plyn po 3 – 5 minutách od podpalu.

Roštem pod redukční zónou propadává popel a občas je vhodné tomu napomoci pohybem roštu, aby se zabránilo vzniku ztíženého odchodu dřevoplynu z generátoru. Tvorba strusky nehrozí. Ta se vyskytuje u paliv s obsahem popela nad 5 – 6 %, kdežto dřevo zanechává jen 0,75 – 2,5 % popela, který je využitelný jako kvalitní a ekologické hnojivo. Některé dřevoplynové teplárny poskytují i dřevěné uhlí (v důsledku nižšího stupně oxidace paliva).

Proudění pod roštem v popelníku je relativně pomalé, takže nestrhne s sebou větší částice popele. Ty se budou hromadit v popelníku a budou vysypávány do příslušného kontejneru při zavážení generátoru palivem. Množství plynem unášeného popele je cca 0,5 až 5 g/m³  (zjištěno u generátorů  IMBERT).

Podrobně bylo zkoumáno zastoupení částic popele v dřevoplynu po výstupu z generátoru, viz následující tabulku:

Lokomotiva – vhodná aplikace dřevoplynového pohonu

Biomasa by neměla být kvůli své objemnosti a malé výhřevnosti energeticky využívána příliš daleko od místa svého vzniku[7], aby se dopravní náklady udržely v rozumné výši.

Elektrárna spalující dřevo není z toho důvodu příliš vhodným řeše­ním. Nemá sice problém ani s rozměrností, ani s hmotností příslušných zařízení na zpracování dřeva a manipulaci s ním, ale v zájmu účinnosti je určena pro co největší výkon, což vyžaduje vydatný přísun paliva. Kvůli jeho rozptýleným zdrojům je nutno dopravovat je do takové centralizované elektrárny z větších vzdále­ností, v praxi i více než stokilometrových, což zvyšuje náklady a přispívá k zátěži životního pro­středí.

V případě lokomotivy se jedná o menší výkon a tedy i menší množství potřebného dřeva, které navíc nemusí být dopravováno do jediného centra, ale lze je skladovat na řadě míst podél trati, takže dopravní vzdálenosti se zkrátí a cena paliva tím není příliš navyšována. Je tedy železnice jako liniový spotřebitel dřeva optimálním kompromisem, výhodnějším než spotřebitelé rozptýlení i spotřebitel centralizovaný.

Potřebná infrastruktura pro dopravu dřeva na příslušná nádraží a pro výrobu špalíků bude výrazně jednodušší, než jaká byla v minulosti při používání uhlí pro parní lokomotivy. Ty bylo nutno navíc zásobovat vodou. Té měly v kotli hodně a její změna na páru potřebného tlaku trvala hodiny, zatímco rozhoření paliva v generátoru trvá minuty[8]. Na rozdíl od uhlí nevytvářejí dřevěné špalíky mour a při sypání nepráší. Popele ze dřeva je málo a je využitelný jako hnojivo. Dřevoplynový generátor navíc neprodukuje saze.

Při zavážení generátoru palivem bude nutno uzavřít potrubí vedoucí k němu i od něj a uvolnit přetlak (zřejmě vpuštěním do sání dmychadla pro sousední generátor). Pak uvolnit poklop a dopravit do gene­rátoru palivo. Poklop pak uzavřít a zmíněná potrubí otevřít. To lze mechanizovat, resp. automatizo­vat.

K zapálení paliva lze použít elektrický odporový ohřev dmýchaného vzduchu, a to nad zápal­nou teplotu dřeva. Energii k tomu potřebnou poskytne lithiová baterie. Ta bude použita i pro startování pístových motorů. Baterie bude dobíjena z tohoto alternátoru přes transformátor a usměrňovač.

V zájmu vyššího výkonu a rozšíření regulačního rozsahu budou u navrhované lokomotivy použity dřevoplynové generátory dva, stejně jako dva zážehové motory. Při požadavku na plný výkon budou ve funkci oba generátory i motory, při sníženém výkonu bude stačit jeden generátor a jeden motor.

Generátory budou mít válcový tvar a v oblasti vysokých teplot budou tříplášťové. Vnitřní plášť musí být teplotně odolný (mecha­nicky namáhán není). Vnější plášť musí odolávat vnitř­nímu přetlaku, neboť vzduch je do generátoru hnán dmychadlem. Proti ohřevu sáláním od horkého vnitřního pláště je vnější plášť chráněn tenkým mezipláštěm. Ten vykazuje vůči vnějšímu i vnitřnímu plášti mezeru využívanou pro proudění spalovacího vzduchu, a to vnější mezerou vzhůru a vnitřní mezerou zpět. Tato tepelná ochrana vnějšího pláště slouží současně k předehřátí spalovacího vzduchu.

Nízká rychlost proudění pod roštem dovoluje ukládání větších částeček popele do popelníku. Unášen je jen jemný popílek. Zachycován je s účinností 60 – 70 % v cyklonovém odlučovači odstředivou silou. Neodloučený ještě jemnější popílek lze zachytit v elektrostatickém odlučovači[9] s účinností cca 96 %. Zbytek (6 – 80 mg/m³) by dokázal odstranit textilní filtr, ale klasické texti­lie jsou kvůli vysoké teplotě plynu nepoužitelné. Při nízkých teplotách by naopak kondenzovaly na filtru páry a vznikal by maz, který tex­tilní filtry ucpává a obtížně se odstraňuje.

Pro pístové motory nabízí řešení skleněná tkanina, která dobře snáší teplotu až 300 °C. Na tuto teplotu se předtím plyn z generátoru a následně cyklonového odlučovače sníží odevzdáním části tepla přehřívači páry (viz níže). Za skleněným filtrem následuje výměník tepla předávaného do kapaliny parního okruhu. Posléze se plyn mísí se spalovacím vzduchem. Vzniklá směs je před vstupem do pístového motoru stlačována odstředivým dmychadlem, které je poháněno vysokootáčkovým Indukčním motorem. Následně je chlazena klasickým vzduchovým chladičem.

Při uvedené třístupňové filtraci bude opotřebení motoru srovnatelné s použitím obvyklých kapalných paliv. Čištění zaneseného skleněného filtru lze zajistit profukováním stlačeným vzduchem v obráceném směru, a to po 150 – 200 hodinách provozu. To je pro obsluhu přijatelné, ale ještě příznivější by bylo tento proces automatizovat.

Velmi problematickou nečistotou dřevoplynu je dehet. Způsobuje obtížně odstrani­telné usazeniny, narušující řádnou funkci pohonu. U generátorů IMBERT určených pro auto­mobily kondenzovaly jeho páry spolu s vodní parou v chladiči plynu a pod ním. Ne­vzhledný a páchnoucí kondenzát byl tehdy běžně vypouštěn na silnici. To je v současnosti ekologicky neúnosné.

Pokud tedy dehtovité látky neshoří už v generátoru, je po­třeba je rozkládat ještě v plynné fázi. K tomuto účelu se hodí niklové katalyzátory používané průmyslově pro reforming ropných frakcí. Fungují v teplotním rozsahu cca 700 - 950 °C, což je srovnatelné s teplotou dřevoplynu při výstupu ze souproudého generátoru.

Dřevoplynový generátor IMBERT dodával vyhovující plyn v rozsahu 20 – 100 % svého plného výkonu. Jelikož lokomotiva bude mít obdobné souproudé generátory dva, posune se dolní hranice na 10 % maxima (vyřazením jednoho generátoru). Volnoběh motoru by však vyžadoval ještě nižší produkci dřevoplynu. To je realizovatelné uzavřením jednoho či více přívodů vzduchu do ohniště momentálně zapojeného generátoru. Je však potřeba brát v úvahu setrvačnost produkce spalin a krátkodobě motorem nespotřebovaný plyn nechat shořet asi neužitečně.

Souhrn parametrů dřevoplynového zdroje energie pro lokomotivu

Zdroje výkonu pro dřevoplynovou lokomotivu

Plynová turbína (nevhodná)

Lokomotivy poháněné plynovou turbínou byly nejen navrženy, ale i vyrobeny a odzkoušeny. Záměrem bylo zvýšit výkon lokomotiv bez zvětšení jejich hmotnosti[15]. Palivem pro ně byl běžný letecký petrolej a pokusně také zemní plyn skladovaný na lokomotivě v kapalné fázi.[16]

Paliva v plynném skupenství se běžně používají pro zážehové motory lokálních kogeneračních centrál produkujících energii elektrickou a tepelnou. U nich není zapotřebí hmotností šetřit, takže hlavní důvod pro použití turbín odpadá.

Výhodou plynových turbín ve srovnání s pístovými motory je kromě nižší hmotnosti také absence vibrací a při použití dřevoplynu žádný problém s odstraňováním dehtu. Jeho páry totiž shoří ve spalovací komoře.

Nevýhody plynových turbín:

• Termodynamickou účinnost mají výrazně nižší než pístový motor, zejména při částečném zatížení. Z toho vyplývá dost vysoká spotřeba paliva.
• Turbínový pohon je značně hlučný kvůli značné rychlosti plynů odcházejících výfukem.
• Při použití dřevoplynu pro turbínový pohon by byl problém s odstraňováním popílku. Ten by působil abrazi turbínových lopatek. Nejdokonaleji jej dokážou odstraňovat textilní filtry, ale ty nejsou kvůli vysoké teplotě spalin použitelné, a to ani tkaniny ze skelných vláken. Používané odlučovače popílku odstředivé i elektrostatické zvládají filtraci jen nedokonale.
• Postupnou degradaci povrchu turbínových lopatek by dřevoplyn působil i obsahem alkalických kovů (Na, K, Ca).

Pístový motor na dřevoplyn

Plynové motory nabízejí jako další produkt někteří výrobci dieselelektrických lokomotiv. Palivem jejich velkých zážehových motorů je většinou zemní plyn. Jsou také nabízeny pro bioplyn, kalový plyn či skládkový plyn, ale jen ojediněle pro dřevoplyn. Ten má vysoký obsah dusíku (přes 50 %) a tedy menší výhřevnost. Výkon motoru na dřevoplyn je tudíž výrazně nižší než na zemní plyn. U navrhované lokomotivy bude problém málo výhřevného paliva řešen novou koncepcí pohonu[17].

Na rozdíl od plynových motorů v energetických centrálách, které pracují s chudou směsí, bude u navrhovaného lokomotivního motoru používána směs stechiometrická za účelem vyššího litrového výkonu. Kvůli nízké rychlosti šíření plamene ve směsi dřevoplynu se vzduchem se u něj počítá se čtyřmi zapalovacími svíčkami na válec. To současně umožní zvýšit stupeň komprese a užít větší průměr válce. Kratší plamen totiž sníží riziko detonačního zakončení hoření („klepání“) a zkrácením doby hoření se lépe využije expanzní zdvih. I proto je základní předstih zapalování větší než u motorů na zemní plyn.

Pozitivní vliv uvedených opatření nebylo možno ve fázi konceptu kvantifikovat a dopracovat se tak k výkonovým parametrům motoru. Poněkud spolehlivější je odhad ztrát energie získané hořením ještě před vstupem do motoru. Než dřevoplyn z generátoru naplní během sacích zdvihů válce čtyřdobého pístového motoru, musí předtím překonat odpor potrubí a filtrů, načež ve výměníku tepla či v chladiči přijde o část energie tepelné.

Bohužel nejsou účinnosti dílčích úprav spalin po opuštění  generátoru a dodání do plynového motoru bez dalšího kvantifikovatelné.  Proto bude v záležitosti zmíněných energetických ztrát jistější zaměřit se na srovnání se systémy již praxí ověřenými.

K tomu se nabízejí vozidla používaná za druhé světové války[18], např. protektorátní linkové autobusy.  U nich motor upravený na pohon dřevoplynem vykazoval výkon cca 52 kW a účinnost 0,25. Za hodinu vydal tedy energii 187,2 MJ, ale čtyřnásobek energie 748,8 MJ (187,2 / 0,25) přijal v upraveném dřevoplynu. Přibližně stejná energie se obvykle mařila ztrátami v generátoru a v jeho příslušenství. Dohromady to činilo cca 1500 MJ. Tolik energie se tedy muselo za hodinu uvolnit hořením[19]. Při specifické energii dřeva 14 MJ/kg by měla být jeho hodinová spotřeba 107 kg. Řidiči těchto autobusů to víceméně potvrzovali.

Celková účinnost η_c pohonu je podílem vydané mechanického energie E_M a energie uvolněné hořením dřeva E_H. V případě porovnávaného autobusu to bylo:  η_c = E_M / E_H = 187,2 MJ/1500 MJ = 12,5 %.

Obecně tedy lze předpokládat, že

z energie E_H uvolněné hořením dřeva v generátoru se pro pohon použije část E_D obsažená ve vysušeném a ochlazeném dřevoplynu. Zbylá část E_Z představuje energetické ztráty v generátoru a
v jeho příslušenství, neboli  E_H = E_D + E_Z .

Energie E_D dodávaná motoru v dřevoplynu upraveném pro tvorbu zápalné směsi musí být větší než energie posléze získaná prací motoru E_M, neboť ten vykazuje nemalé energetické ztráty. Jejich velikost získáme, když od energie hoření E_H odečteme efektivní práci motoru dělenou jeho účinností
(E_Z = E_H - E_M / η_M).

U lokomotivního generátoru dřevoplynu budou energetické ztráty v jeho příslušenství kvůli jeho větší složitosti[20] větší, odhadem 55 % z energie hodinu trvajícího hoření. tedy
E_Z = 0,55 * E_H = 0,55 * 10 600 MJ = 5 830 MJ.  

Dalším odborným odhadem je účinnost motoru
η_M = 0,46 odvozená od účinnosti podobných motorů.

Pro zásobování motoru energií obsaženou v dřevoplynu E_D zbývá po odečtení ztrát 45 % energie hoření E_H, tedy 0,45 * 10 600 MJ = 17 172 MJ = 4770  kWh. 

Motorem poskytnutá mechanická energie E_M je součinem účinnosti motoru η_M a energie jím v dřevoplynu přijaté
E_M = η_M*E_D = 0,46*4 770  kWh = 2 194,2 kWh, což je hodina užitečné práce motoru o výkonu 2 194,2 kW.

Za hodinu jízdy plným výkonem 2 194,2 kW vykoná motor práci 7 899,12 MJ a spotřebuje 757 kg dřeva (10 600 MJ/14 MJ/kg).

Náplň generátoru s 800 kg dřevěných špalíků tedy při „plném plynu“ shoří za 63 minut.

Nekonvenční koncepce dřevoplynového pohonu lokomotivy

U existujících dieselelektrických lokomotiv je obvykle k dispozici dost prostou pro umístění ústrojí pohonu, ale v našem případě, kdy je nutno umístit někam navíc dva dřevoplynové generátory a další pístový motor, nemělo by se plýtvat délkou lokomotivy určené i pro vedlejší tratě. Nízká výhřevnost dřevoplynu by se při použití kteréhokoliv existujícího motoru na zemní plyn projevila omezenými parametry lokomotivy, zejména nízkým výkonem. Proto byla dána přednost návrhu vlastního pohonného systému, který je ovšem složitější než pohon dieselelektrické lokomotivy. Bude mít dva osmiválcové motory[21], dva dřevoplynové generátory a navíc parní systém využívající odpadní teplo.

Byl-li by klasický řadový nebo vidlicový motor nahrazen motorem hvězdicovým, ušetřilo by se především na délce motoru[22]. Snížila by se trochu i hmotnost (kratší kliková hřídel i skříň). Ještě výraznější redukci rozměrů a hmotnosti hnacího agregátu nabízí motor s bezojničním mechanismem, jaký byl realizován u sovět­ského leteckého motoru OM-127 PH, viz následující obrázek.

Jde o os­miválcový kapalinou chlazený zážehový motor (druhá čtyřválcová „hvězdice“ je v zákrytu). Lze jej však považovat za šest­nácti­válec, neboť všechny válce jsou dvoj­činné (pracovní prostor je i pod spodní stranou pístu). Písty tohoto značně složitého motoru jsou chlazeny ole­jem. V  hlavě každého válce jsou čtyři ventily. U spodních spalovacích prostorů je bohužel obtížný přístup pro seřizování vůle ventilů a také k zapalovacím svíč­kám přes spleť sacího, výfukového a olejového potrubí [23].

Pokud se na dvojčinnost rezignuje, motor se podstatně zjednoduší, přičemž se zachová vynikající vyváženost i značná kompenzace periodických setrvačných sil pístové skupiny silami od tlaku ve válcích. Z práce motoru to tedy vyřadí prostory pod písty, což zmenší celkový zdvihový objem téměř na polovinu a s ním samozřejmě i výkon. Avšak u lokomotivy, kde hmotnost motoru nehraje takovou roli jako u letadla, existuje možnost dohnat ztrátu výkonu zvětšením zdvihového objemu motoru, čímž samozřejmě stoupne jeho hmotnost.

Prin­cip funkce bezojničního kliko­vého mecha­nismu tohoto motoru znázorňuje následující schéma. Pokud na pravém obrázku půlí konec kliky C spojnici AB, je aktuální vzdálenost x pístů (na společné pístnici) od úvratí popsána rovnicí

x = 2 * K * sin (ω*t),

kde K je délka kliky, ω je úhlová rychlost rotace kliky a t je čas (začíná v úvrati), Jde tedy o čistě harmonický pohyb, hmotnostně beze zbytku vyvažitelný.

Na levé části obrázku patří ložiska B k vodorovným pístnicím zakončeným písty.

Aby se všechny čtyři kliky otáčely stejně, jsou spojeny s předlohovým hřídelem pomocí tří párů ozubených kol. Výkon je odebírán z tohoto předlohového hřídele.

Významnou předností tohoto motoru je totální vyvážení. Setrvačné síly dvou pístů spojených pístnicí se skládají se setrvačnými silami obdobné skupiny (pooto­čené o 90°) tak, že dohromady vytvářejí konstantní sílu rotující otáčkami klikového hřídele. Ta se kompenzuje protizávažím na klikovém hřídeli. Na rozdíl od ojničního mechanismu zde neexistují vyšší harmonické složky nevyváženosti. Nevzniká ani nevyváženost momentová, neboť mechanismus druhé čtyřválcové hvězdice je zrcadlovým „obrazem“ hvězdice první.

Pro letecký motor byl u zmíněných ozubených kol zvolen převod do pomala, neboť bylo třeba, aby otáčky vrtule byly nižší než otáčky motoru. Je-li poháněn alternátor, jde naopak v zájmu úspory hmotnosti o převod do rychla, jak je v obrázku naznačeno.

Důležitou výhodou uvedeného motoru je značný rozsah kompenzace setrvačných sil od pístové skupiny silami od tlaku ve válci při kompresním a expanzním zdvihu: Při pohybu k úvrati napomáhá ke zpomalování pístové skupiny  rostoucí tlak v tom válci, ve kterém probíhá komprese. Při pohybu od úvrati je setrvačnost pístové sku­piny přemáhána silou expanzního zdvihu.

U čtyřdobého motoru s klasickým klikovým mechanismem k takové kompenzaci nedochází v těch válcích, kde právě probíhá sání či výfuk, zatímco u výše uvedeného motoru jdou proti sobě síly od tlaku ve válci a síly setrvačné při každém zdvihu. Navíc je síla od expanze využívána pro kompresi v jiném pracovním prostoru pouze prostřednictvím pístnice a nikoliv přes čepy a ložiska klikového mechanismu jako u klasického motoru. Další předností je absence bočních sil na písty. To vše snižuje mechanické ztráty.

Moderní motor na dřevoplyn musí být vybaven zpětnovazebním ří­zením směšova­cího poměru (plynu a vzduchu), neboť složení dřevoplynu může vý­znamně kolísat. Kontroluje se obsah kyslíku ve výfukových plynech pomocí sondy l. Tento systém současně slouží pro katalytické snižování emisí ve výfuku za stechiometrického poměru plynu a vzduchu (jde o „trojcestný“ katalyzátor redukující i obsah NOx ve výfukových plynech[24]).

Výkon motoru je ovládán dodávkou plynu i vzduchu do motoru tak, že je regulován výkon odstředi­vých dmychadel. Je to energeticky efektivnější než regulace škrticí klapkou. Takto se reguluje i boha­tost směsi na základě signálu ze sondy l. Pro po­hon odstředivých dmychadel je zřejmě optimálním řešením systém, u kterého nejsou dmychadla poháněna výfukovou turbínou, nýbrž vysoce účinnými synchronními elektromotory s permanentně magnetizovanými rotory. Jsou napájeny přes frekvenční měnič z trakční sítě.

Výfuková turbína nepohání dmychadlo, ale al­ternátor s permanentně magnetizovaným rotorem. Jím produkovaný střídavý proud (zřejmě třífázový) o frekvenci ve stovkách Hz je usměrňován a současně regulován tak, aby jeho příkon korespondoval s aktuálním výkonem výfukové turbíny.

Získaný stejnosměrný proud nabíjí lithiovou baterii.  Pokud je plně nabitá, přispívá proud z tohoto alternátorku upravený invertorem k napájení trakčních elektromotorů na nápravách. Jde pak o jakousi upravenou verzi kompaundního řešení pohonu.

Pohon dmychadla regulovaným vysokorychlostním elektromotorem tedy umožňuje řádnou funkci ply­nového motoru v celém rozsahu otáček i zatížení. 

Pístové motory pohánějí hlavní alternátor přes ozubcové spojky. To umožňuje vyřadit jeden či druhý motor z pohonu alternátoru vyřadit. Před zasunutím takovéto spojky se motor roztočí na aktuální úhlovou rychlost a upraví se úhlová poloha ozubců tak aby zapadly do příslušných mezer. Je to obdobné jako v elektrárnách při sfázování alternátoru se střídavou sítí. Příslušný servomechanismus je vybaven senzory pro úhlovou rychlost a pro úhel pootočení [25] .

Spouštění pístového motoru bude nejspíše řešeno klasicky zasunutím pastorku do ozubeného věnce.  Energie pro elektromotor spouštěče bude odebírána z palubní lithiové baterie. Ta bude sloužit mj. i pro roztápění dřevoplynových generátorů vháněním vzduchu ohřátého elektrickými topnými články nad zápalnou teplotu dřeva. Při vypnutí plynových motorů bude baterie zdrojem energie pro motor kompresoru brzdové soustavy.

Na následující stránce je zjednodušené schéma pohonu dřevoplynové lokomotivy. V zájmu dostatečného výkonu a vysoké účinnosti jsou pístové motory přeplňovány dvoustupňově s mezichlazením.

---