Газовый двигатель

Модель газового двигателя Hartop S-типа.

Газовый двигатель — это двигатель внутреннего сгорания , который работает на топливном газе ( газообразном топливе), таком как угольный газ , продюсерский газ , биогаз , свалочный газ , природный газ или водород . В Великобритании и британских англоязычных странах этот термин однозначен. В США из-за широкого использования слова «газ» как аббревиатуры бензина (бензина) такой двигатель иногда называют уточняющим термином, например, двигатель, работающий на газообразном топливе или двигатель, работающий на природном газе .

Обычно в современном использовании термин «газовый двигатель» относится к тяжелому промышленному двигателю, способному непрерывно работать при полной нагрузке в течение периодов, приближающихся к 8760 часам в год, в отличие от бензинового автомобильного двигателя, который является легким, высокооборотным и обычно работает не более 4000 часов за весь срок службы. Типичная мощность варьируется от 10 кВт (13 л.с.) до 4 МВт (5364 л.с.). ^[1]

История

Ленуар

В 19 веке было много экспериментов с газовыми двигателями, но первый практический двигатель внутреннего сгорания , работающий на газе, был построен бельгийским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. ^[2] Однако двигатель Ленуара имел низкую мощность и высокий расход топлива.

Отто и Ланген

Работа Ленуара была дополнительно исследована и усовершенствована немецким инженером Николаусом Августом Отто , который позже изобрел первый четырехтактный двигатель, позволяющий эффективно сжигать топливо непосредственно в поршневой камере. В августе 1864 года Отто встретил Ойгена Лангена , который, будучи технически подготовленным, увидел потенциал развития Отто, и через месяц после встречи основал первый в мире завод по производству двигателей NA Otto & Cie в Кельне. В 1867 году Отто запатентовал свою улучшенную конструкцию, и она была удостоена Гран-при на Всемирной выставке в Париже 1867 года. Этот атмосферный двигатель работал за счет втягивания смеси газа и воздуха в вертикальный цилиндр. Когда поршень поднимается примерно на восемь дюймов, газовоздушная смесь воспламеняется от небольшого запального пламени, горящего снаружи, которое толкает поршень (который соединен с зубчатой рейкой) вверх, создавая под ним частичный вакуум. Никакой работы при движении вверх не производится. Работа совершается, когда поршень и зубчатая рейка опускаются под действием атмосферного давления и собственного веса, поворачивая при падении главный вал и маховики. Его преимуществом перед существующим паровым двигателем была способность запускаться и останавливаться по требованию, что делало его идеальным для периодических работ, таких как погрузка или разгрузка барж. ^[3]

Четырехтактный двигатель

Отто Атмосферный газовый двигатель, в свою очередь, был заменен четырехтактным двигателем . Переход на четырехтактные двигатели произошел удивительно быстро: последние атмосферные двигатели были изготовлены в 1877 году. Вскоре последовали двигатели на жидком топливе, использующие дизельное топливо (около 1898 года) или бензин (около 1900 года).

Кроссли

Самым известным изготовителем газовых двигателей в Соединенном Королевстве был Кроссли из Манчестера, который в 1869 году приобрел в Соединенном Королевстве и во всем мире (кроме Германии) права на патенты Отто и Лангена на новый газовый атмосферный двигатель. В 1876 году они приобрели права на более эффективный четырехтактный двигатель Отто.

Танье

располагалось несколько других фирм В районе Манчестера также . Tangye Ltd. из Сметвика, недалеко от Бирмингема, продала свой первый газовый двигатель, двухтактный двигатель номинальной мощностью 1 л.с. , в 1881 году, а в 1890 году фирма начала производство четырехтактного газового двигателя. ^[4]

Сохранение

Музей двигателей Энсона в Пойнтоне , недалеко от Стокпорта , Англия , имеет коллекцию двигателей, включающую несколько работающих газовых двигателей, в том числе самый большой из когда-либо созданных атмосферных двигателей Crossley.

Текущие производители

Производителями газовых двигателей являются Hyundai Heavy Industries , Rolls-Royce с Bergen-Engines AS , Kawasaki Heavy Industries , Liebherr , MTU Friedrichshafen , INNIO Jenbacher , Caterpillar Inc. , Perkins Engines , MWM , Cummins , Wärtsilä , INNIO Waukesha , Guascor Energy, Deutz , MTU, MAN, Scania AB , Fairbanks-Morse , Doosan, Eaton (преемник другого бывшего крупного акционера рынка, Cooper Industries ) и Yanmar . Мощность варьируется от 10 кВт (13 л.с.) микрокомбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) до 18 МВт (24 000 л.с.). ^[5] Вообще говоря, современный высокооборотный газовый двигатель вполне конкурентоспособен с газовыми турбинами мощностью примерно до 50 МВт (67 000 л.с.) в зависимости от обстоятельств, а лучшие из них гораздо более экономичны, чем газовые турбины. Rolls-Royce с Bergen Engines, Caterpillar и многие другие производители основывают свою продукцию на блоке дизельных двигателей и коленчатом валу. INNIO Jenbacher и Waukesha — единственные две компании, чьи двигатели разработаны и предназначены исключительно для работы на газе.

Типичные применения

Стационарный

Типичными применениями являются схемы выработки базовой нагрузки или длительного времени, включая комбинированное производство тепла и электроэнергии (типичные показатели производительности см. ^[6]), свалочный газ, шахтный газ, устьевой газ и биогаз , где отходящее тепло двигателя может использоваться для обогрева варочных котлов. Типовые параметры установки биогазового двигателя см. ^[7] Параметры большой ТЭЦ с газовым двигателем, установленной на заводе, см. ^[8] Газовые двигатели редко используются в режиме ожидания, что остается в основном прерогативой дизельных двигателей. Единственным исключением из этого правила является небольшой (<150 кВт) аварийный генератор, который часто устанавливается на фермах, в музеях, на малых предприятиях и в жилых домах. Подключаемые либо к природному газу из коммунальной сети, либо к пропану из резервуаров для хранения на объекте, эти генераторы могут быть оснащены автоматическим запуском при отключении электроэнергии.

Транспорт

Двигатели, работающие на сжиженном природном газе (СПГ), расширяют свое присутствие на морском рынке, поскольку двигатели, работающие на обедненной газовой смеси, могут соответствовать новым требованиям по выбросам без какой-либо дополнительной обработки топлива или систем очистки выхлопных газов. использование двигателей, работающих на сжатом природном газе секторе также растет В автобусном (СПГ) . Пользователи в Соединенном Королевстве включают Reading Buses . Использование газовых автобусов поддерживается Gas Bus Alliance. ^[9] и производители включают Scania AB . ^[10]

Использование газообразного метана или пропана

Поскольку природный газ , главным образом метан , уже давно является экономичным и легкодоступным топливом, многие промышленные двигатели либо спроектированы, либо модифицированы для использования газа, в отличие от бензина . Их работа приводит к меньшему количеству сложных углеводородных загрязнений, а двигатели имеют меньше внутренних проблем. Одним из примеров является сжиженный нефтяной газ , главным образом пропан . двигатель, используемый в огромном количестве вилочных погрузчиков. Обычное использование слова «газ» в США для обозначения «бензина» требует явного указания двигателя, работающего на природном газе. Еще есть такое понятие, как «природный бензин». ^[11] но этот термин, который относится к подмножеству сжиженного природного газа , очень редко встречается за пределами нефтеперерабатывающей промышленности.

Технические детали

Смешивание топлива с воздухом

Газовый двигатель отличается от бензинового способом смешивания топлива и воздуха. Бензиновый двигатель использует карбюратор или систему впрыска топлива . но в газовом двигателе часто используется простая система Вентури для подачи газа в воздушный поток. Ранние газовые двигатели использовали трехклапанную систему с отдельными впускными клапанами для воздуха и газа.

Выпускные клапаны

Слабым местом газового двигателя по сравнению с дизельным являются выпускные клапаны, поскольку выхлопные газы газового двигателя при заданной мощности намного горячее, и это ограничивает выходную мощность. Таким образом, дизельный двигатель данного производителя обычно имеет более высокую максимальную мощность, чем блок двигателя того же размера в версии газового двигателя. Дизельный двигатель обычно имеет три различных режима работы — резервный, основной и непрерывный, то есть 1-часовой режим, 12-часовой режим и непрерывный режим работы в Великобритании, тогда как газовый двигатель обычно имеет только непрерывный режим работы, который будет меньше, чем дизельная непрерывная мощность.

Зажигание

Использовались различные системы зажигания, в том числе воспламенители с горячей трубкой и искровое зажигание . Некоторые современные газовые двигатели по сути являются двухтопливными . Основным источником энергии является газовоздушная смесь, но она воспламеняется за счет впрыска небольшого объема дизельного топлива .

Энергетический баланс

Термический КПД

Газовые двигатели, работающие на природном газе, обычно имеют термический КПД 35–45 % ( в зависимости от низкой мощности ). ^[12] По состоянию на 2018 год лучшие двигатели могут достигать теплового КПД до 50% (на основе LHV). ^[13] Эти газовые двигатели обычно представляют собой среднеоборотные двигатели. Бергенские двигатели. Энергия топлива возникает на выходном валу, а остальная часть выделяется в виде отходящего тепла. ^[8] Большие двигатели более эффективны, чем маленькие. Газовые двигатели, работающие на биогазе, обычно имеют немного более низкий КПД (~ 1-2%), а синтез-газ еще больше снижает КПД. Последний двигатель J624 компании GE Jenbacher — это первый в мире высокоэффективный 24-цилиндровый газовый двигатель, работающий на метане. ^[14]

При рассмотрении эффективности двигателя следует учитывать, основан ли он на более низкой теплоте сгорания (LHV) или более высокой теплоте сгорания (HHV) газа. Производители двигателей обычно указывают эффективность, основанную на более низкой теплоте сгорания газа, т.е. эффективности после использования энергии для испарения внутренней влаги внутри самого газа. Газораспределительные сети обычно взимают плату в зависимости от более высокой теплотворной способности газа. т.е. общее энергетическое содержание. Заявленный КПД двигателя, основанный на низкой мощности, может составлять, скажем, 44%, тогда как тот же двигатель может иметь КПД 39,6% на основе высокой мощности на природном газе. Также важно обеспечить, чтобы сравнение эффективности проводилось на одинаковой основе. Например, некоторые производители используют насосы с механическим приводом, тогда как другие используют насосы с электрическим приводом для подачи охлаждающей воды двигателя, а использование электричества иногда можно игнорировать, что дает ложно высокий кажущийся КПД по сравнению с двигателями с прямым приводом.

Комбинированное тепло и электроэнергия

Отбракованное тепло двигателя можно использовать для отопления зданий или технологического процесса. В двигателе примерно половина отработанного тепла (из рубашки двигателя, масляного радиатора и контуров промежуточного охладителя) выделяется в виде горячей воды, температура которой может достигать 110 °C. Остальная часть возникает в виде высокотемпературного тепла, которое может генерировать горячую воду или пар под давлением с помощью теплообменника выхлопных газов .

Охлаждение двигателя

Двумя наиболее распространенными типами двигателей являются двигатели с воздушным и водяным охлаждением . с водяным охлаждением используется антифриз. В настоящее время в двигателях внутреннего сгорания

Некоторые двигатели (воздушные или водяные) имеют дополнительный масляный радиатор.

Охлаждение необходимо для отвода чрезмерного тепла, поскольку перегрев может привести к выходу двигателя из строя, обычно из-за износа, растрескивания или деформации.

Формула расхода газа

Формула показывает потребность газового двигателя в расходе газа в нормальных условиях при полной нагрузке.

$Q={\frac {P}{\eta }}\cdot {\frac {1}{LHV_{gas}}}$

где:

$Q$ расход газа в нормальных условиях
${P}$ это мощность двигателя
${\eta }$ это механический КПД
LHV – это низкая теплота сгорания газа.

Галерея исторических газовых двигателей

Исторические газовые двигатели
1905 г. Обычный газовый двигатель Национальной компании мощностью 36 л.с.
1903 г. Газовый двигатель Кёртинга
Вертикальный газовый двигатель Backus
Горизонтальный газовый двигатель Отто
Вертикальный газовый двигатель Отто
Газовый двигатель Вестингауза
Газовый двигатель и динамо-машина Кроссли
Электростанция с двумя газовыми двигателями Premier
Газовый двигатель мощностью 125 л.с. и динамо-машина
Crossley Brothers Ltd., 1886 г. Двигатель № 1, одноцилиндровый, 4-тактный бензиновый двигатель мощностью 4,5 л.с., 160 об/мин.
1915 г. Газовый двигатель Crossley (тип GE130 №75590), мощность 150 л.с.
Национальный газовый двигатель
Высокопроизводительный газовый двигатель с тандемной продувкой Premier
Доменный газовый двигатель с дутьевым цилиндром
Газовый двигатель Стокпорта и динамо-машина с ременным приводом