Газовый двигатель

Газовый двигатель — это двигатель внутреннего сгорания , работающий на топливном газе ( газообразном топливе), таком как угольный газ , генераторный газ , биогаз , свалочный газ , природный газ или водород . В Соединенном Королевстве и странах, говорящих на британском английском , этот термин однозначен. В Соединенных Штатах , в связи с широким использованием слова «gas» в качестве сокращения для бензина (petrol), такой двигатель иногда называют уточняющим термином, например gaseous-fueled engine или natural gas engine .

В современном использовании термин « газовый двигатель» обычно относится к тяжелому промышленному двигателю, способному работать непрерывно при полной нагрузке в течение периодов, приближающихся к высокой доле в 8760 часов в год, в отличие от бензинового автомобильного двигателя, который легкий, высокооборотистый 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 XIX веке проводилось много экспериментов с газовыми двигателями, но первый практически применимый двигатель внутреннего сгорания , работающий на газе, был построен бельгийским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. ^[2] Однако двигатель Ленуара имел низкую выходную мощность и высокий расход топлива.

Отто и Ланген

Работа Ленуара была дополнительно исследована и улучшена немецким инженером Николаусом Августом Отто , который позже изобрел первый четырехтактный двигатель для эффективного сжигания топлива непосредственно в поршневой камере. В августе 1864 года Отто встретил Ойгена Лангена , который, будучи технически подготовленным, увидел потенциал разработки Отто, и через месяц после встречи основал первую в мире фабрику 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, втягивая смесь газа и воздуха в вертикальный цилиндр. Когда поршень поднимался примерно на восемь дюймов, смесь газа и воздуха воспламенялась небольшим запальным пламенем, горящим снаружи, что заставляло поршень (который был соединен с зубчатой рейкой) подниматься вверх, создавая под ним частичный вакуум. При ходе вверх работа не выполнялась. Работа выполняется, когда поршень и зубчатая рейка опускаются под действием атмосферного давления и собственного веса, вращая главный вал и маховики по мере падения. Его преимущество перед существующим паровым двигателем заключалось в его способности запускаться и останавливаться по требованию, что делало его идеальным для прерывистых работ, таких как загрузка или разгрузка баржи. ^[3]

Четырехтактный двигатель

Атмосферный газовый двигатель в свою очередь был заменен четырехтактным двигателем Отто . Переход на четырехтактные двигатели был на удивление быстрым, и 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 производителем газовых двигателей в Соединенном Королевстве был Кроссли из Манчестера, который в 1869 году приобрел права Великобритании и всего мира (кроме Германии) на патенты Отто и Лангена на новый газовый атмосферный двигатель. В 1876 году они приобрели права на более эффективный четырехтактный двигатель Отто.

Тангье

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

Сохранение

Музей двигателей Энсона в Пойнтоне , недалеко от Стокпорта , Англия , располагает коллекцией двигателей, включающей несколько работающих газовых двигателей, в том числе крупнейший из когда-либо созданных работающих атмосферных двигателей Crossley.

Текущие производители

Производители газовых двигателей включают 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 держателя доли рынка, Cooper Industries ), и Yanmar . Выходная мощность варьируется от примерно 10 кВт (13 л. с.) микрокомбинированной тепловой и электрической (ТЭЦ) до 18 МВт (24 000 л. с.). ^[5] В целом, современный высокоскоростной газовый двигатель весьма конкурентоспособен с газовыми турбинами мощностью 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 дизельного двигателя и коленчатом валу. INNIO Jenbacher и Waukesha — единственные две компании, чьи двигатели разработаны и предназначены только для газа.

Типичные применения

Стационарный

Типичные области применения — схемы базовой нагрузки или высокочасовой генерации, включая комбинированное производство тепла и электроэнергии (типичные показатели производительности см. в ^[6] ), свалочный газ, шахтный газ, скважинный газ и биогаз , где отходящее тепло от двигателя может использоваться для нагрева реакторов. Типичные параметры установки биогазового двигателя см. в ^[7] Параметры большой газовой системы ТЭЦ, установленной на заводе, см. в ^[8] Газовые двигатели редко используются для резервных приложений, которые в основном остаются вотчиной дизельных двигателей. Исключением из этого правила является небольшой (<150 кВт) аварийный генератор, часто устанавливаемый на фермах, музеях, малых предприятиях и в жилых домах. Подключенные либо к природному газу из коммунальной сети, либо к пропану из местных резервуаров для хранения, эти генераторы могут быть настроены на автоматический запуск при отключении питания.

Транспорт

Двигатели на сжиженном природном газе (СПГ) расширяются на морской рынок, поскольку двигатель на обедненной газовой смеси может соответствовать новым требованиям по выбросам без какой-либо дополнительной обработки топлива или систем очистки выхлопных газов. Использование двигателей, работающих на сжатом природном газе (СПГ), также растет в секторе автобусов . Пользователи в Соединенном Королевстве включают Reading Buses . Использование газовых автобусов поддерживается Gas Bus Alliance ^[9] , а производители включают Scania AB ^[10] .

Использование газообразного метана или пропана

Поскольку природный газ , в основном метан , долгое время был экономичным и легкодоступным топливом, многие промышленные двигатели либо спроектированы, либо модифицированы для использования газа, в отличие от бензина . Их работа производит меньше сложных углеводородных загрязнений, и двигатели имеют меньше внутренних проблем. Одним из примеров является сжиженный нефтяной газ , в основном пропан . двигатель, используемый в огромном количестве вилочных погрузчиков. Распространенное в Соединенных Штатах использование «газа» для обозначения «бензина» требует явной идентификации двигателя на природном газе. Существует также такое понятие, как «природный бензин», ^[11], но этот термин, который относится к подмножеству сжиженных природных газов , очень редко встречается за пределами нефтеперерабатывающей промышленности.

Технические подробности

Смешивание топлива и воздуха

Газовый двигатель отличается от бензинового двигателя способом смешивания топлива и воздуха. Бензиновый двигатель использует карбюратор или впрыск топлива , но газовый двигатель часто использует простую систему Вентури для введения газа в поток воздуха. Ранние газовые двигатели использовали трехклапанную систему с отдельными впускными клапанами для воздуха и газа.

Выпускные клапаны

Слабым местом газового двигателя по сравнению с дизельным двигателем являются выпускные клапаны, поскольку выхлопные газы газового двигателя намного горячее для заданной мощности, и это ограничивает выходную мощность. Таким образом, дизельный двигатель данного производителя обычно будет иметь более высокую максимальную мощность, чем тот же размер блока двигателя в версии с газовым двигателем. Дизельный двигатель, как правило, будет иметь три различных рейтинга — резервный, основной и непрерывный, также известный как 1-часовой рейтинг, 12-часовой рейтинг и непрерывный рейтинг в Соединенном Королевстве, тогда как газовый двигатель, как правило, будет иметь только непрерывный рейтинг, который будет меньше непрерывного рейтинга дизельного двигателя.

Зажигание

Использовались различные системы зажигания, включая воспламенители с горячей трубкой и искровое зажигание . Некоторые современные газовые двигатели по сути являются двухтопливными двигателями . Основным источником энергии является газовоздушная смесь, но она воспламеняется путем впрыскивания небольшого объема дизельного топлива .

Энергетический баланс

Тепловая эффективность

Газовые двигатели, работающие на природном газе, обычно имеют тепловой КПД от 35 до 45% ( на основе LHV ). ^[12] По состоянию на 2018 год лучшие двигатели могут достигать теплового КПД до 50% (на основе LHV). ^[13] Эти газовые двигатели обычно являются среднеоборотными двигателями Bergen Engines Топливная энергия возникает на выходном валу, остальная часть появляется в виде отработанного тепла. ^[8] Большие двигатели более эффективны, чем малые двигатели. Газовые двигатели, работающие на биогазе, обычно имеют немного более низкий КПД (~1-2%), а синтез-газ еще больше снижает КПД. Недавний двигатель J624 от GE Jenbacher является первым в мире высокоэффективным 24-цилиндровым газовым двигателем, работающим на метане. ^[14]

При рассмотрении эффективности двигателя следует учитывать, основана ли она на низшей теплотворной способности (LHV) или высшей теплотворной способности (HHV) газа. Производители двигателей обычно указывают эффективность на основе низшей теплотворной способности газа, т. е. эффективности после того, как энергия была взята для испарения внутренней влаги внутри самого газа. Газораспределительные сети обычно взимают плату на основе высшей теплотворной способности газа, т. е . общего содержания энергии. Указанная эффективность двигателя на основе LHV может составлять, скажем, 44%, тогда как тот же двигатель может иметь эффективность 39,6% на основе HHV на природном газе. Также важно гарантировать, что сравнение эффективности проводится на сопоставимой основе. Например, некоторые производители используют насосы с механическим приводом, тогда как другие используют насосы с электрическим приводом для привода охлаждающей воды двигателя, и потребление электроэнергии иногда может игнорироваться, давая ложно высокую кажущуюся эффективность по сравнению с двигателями с прямым приводом.

Комбинированное производство тепла и электроэнергии

Тепло от двигателя может быть использовано для отопления здания или нагрева процесса. В двигателе примерно половина отходящего тепла возникает (из кожуха двигателя, масляного охладителя и контуров доохладителя) в виде горячей воды, которая может иметь температуру до 110 °C. Оставшаяся часть возникает в виде высокотемпературного тепла, которое может генерировать горячую воду под давлением или пар с помощью теплообменника выхлопных газов .

Охлаждение двигателя

Два наиболее распространенных типа двигателей — это двигатель с воздушным охлаждением или двигатель с водяным охлаждением . В настоящее время в двигателях внутреннего сгорания с водяным охлаждением используется антифриз.

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

Охлаждение необходимо для отвода избыточного тепла, поскольку перегрев может привести к выходу двигателя из строя, как правило, из-за износа, трещин 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:

$Q$ это поток газа в нормальных условиях
${П}$ это мощность двигателя
${\эта}$ это механический КПД
НТС — низшая теплотворная способность газа.

Галерея исторических газовых двигателей

Исторические газовые двигатели
1905 г. Обычный газовый двигатель компании National мощностью 36 л.с.
Газовый двигатель Кёртинга 1903 года
Вертикальный газовый двигатель Backus
Горизонтальный газовый двигатель Отто
Вертикальный газовый двигатель Отто
Газовый двигатель Вестингауза
Газовый двигатель и динамо-машина Crossley
Электростанция с двумя газовыми двигателями Premier
125-сильный бензиновый двигатель и динамо-машина
Crossley Brothers Ltd., 1886 г. Двигатель № 1, одноцилиндровый, 4-тактный бензиновый двигатель мощностью 4,5 л.с., 160 об./мин.
Газовый двигатель Crossley 1915 года (тип GE130 №75590), 150 л.с.
Национальный газовый двигатель
Первоклассный тандемный продувочный газовый двигатель высокой мощности
Газовый двигатель доменной печи с продувочным цилиндром
Газовый двигатель Стокпорта и динамо-машина с ременным приводом

Смотрите также

Ссылки

^ "GE Jenbacher | Газовые двигатели". Clarke-energy.com . Получено 28.09.2013 .
^ "запускайте двигатели! — газовые двигатели". Library.thinkquest.org . Получено 28.09.2013 .
^ "Crossley Atmospheric Gas Engine" (PDF) . Музей науки и промышленности. Архивировано из оригинала (PDF) 22 октября 2013 года . Получено 23 сентября 2013 года .
^ "Основные отрасли промышленности Великобритании по Aberconway — Глава XXI". Gracesguide.co.uk . Получено 2010-06-05 .
^ "Газовые двигатели в Wärtsilä". Wartsila.com. Архивировано из оригинала 2015-04-02 . Получено 2013-09-28 .
^ Эндрюс, Дэйв (2014-04-23). "Finning Caterpillar Gas Engine CHP Ratings | Claverton Group". Claverton-energy.com. Архивировано из оригинала 2019-08-19 . Получено 2014-08-09 .
^ Эндрюс, Дэйв (2008-10-14). "38% HHV Caterpillar Bio-gas Engine Fitted to Sewage Works | Claverton Group". Claverton-energy.com. Архивировано из оригинала 2019-08-19 . Получено 2013-09-28 .
^ Эндрюс, Дэйв (24.06.2010). "Полная система ТЭЦ с газовым двигателем Deutz мощностью 7 МВт (2 x 3,5 МВт) для продажи и повторной установки в стране по вашему выбору. Аналогичная система доступна на биогазе / газе из реактора | Claverton Group". Claverton-energy.com. Архивировано из оригинала 30.09.2013 . Получено 28.09.2013 .
^ "Global CNG Solutions Ltd — Gas Alliance Group". Globalcngsolutions.com. Архивировано из оригинала 2017-06-27 . Получено 2014-08-09 .
^ "Первые в Великобритании автобусы Scania-ADL, работающие на газе, доставлены в Reading Buses". scania.co.uk. 2013-04-23 . Получено 2014-08-09 .
^ "Глоссарий — Управление энергетической информации США (EIA)" . Получено 22.12.2018 .
^ "CHP | Когенерация | GE Jenbacher | Газовые двигатели". Clarke Energy. Архивировано из оригинала 2012-04-30 . Получено 2013-09-28 .
^ "Rolls-Royce представляет новые газовые двигатели B36:45 на рынке США; эффективность до 50%". Green Car Congress . Получено 25.01.2019 .
^ "Продукты и услуги". Ge-energy.com . Получено 28.09.2013 .

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Газовые двигатели» .