 | Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( сентябрь 2019 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить это сообщение-шаблон ) |
Газовый двигатель представляет собой двигатель внутреннего сгорания , работающий на газовом топливе, таких как каменноугольный газ , генераторный газ , биогаз , газ из органических отходов или природного газа . В Соединенном Королевстве термин однозначный. В Соединенных Штатах , из-за широкого использования слова «газ» в качестве аббревиатуры для бензина (бензин), такой двигатель можно также назвать двигателем, работающим на газе, или двигателем, работающим на природном газе, или двигателем с искровым зажиганием.
Обычно в современном использовании термин газовый двигатель относится к тяжелому промышленному двигателю, способному непрерывно работать с полной нагрузкой в течение периодов, приближающихся к высокой доле 8760 часов в год, в отличие от бензинового автомобильного двигателя, который является легким, высокооборотистым и обычно работает не более 4000 часов за весь срок службы. Типичная мощность составляет от 10 кВт (13 л.с.) до 4 МВт (5364 л.с.). [1]
История [ править ]
Ленуар [ править ]
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 страдал от низкой выходной мощности и высокого расхода топлива. потребление.
Отто и Ланген [ править ]
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 познакомился с Ойгеном Лангеном.который, получив техническую подготовку, 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 свой улучшенный дизайн, и он был удостоен Гран-при на Всемирной выставке в Париже 1867 года. Этот атмосферный двигатель работал, втягивая смесь газа и воздуха в вертикальный цилиндр. Когда поршень поднимается примерно на восемь дюймов, смесь газа и воздуха воспламеняется небольшим пилотным пламенем, горящим снаружи, которое толкает поршень (который соединен с зубчатой рейкой) вверх, создавая под ним частичный вакуум. Работа с ходом вверх не выполняется. Работа выполняется, когда поршень и зубчатая рейка опускаются под действием атмосферного давления и собственного веса, поворачивая главный вал и маховики при падении.Его преимуществом перед существующим паровым двигателем была способность запускаться и останавливаться по требованию, что делало его идеальным для прерывистой работы, такой как погрузка или разгрузка баржи.[3]
Четырехтактный двигатель [ править ]
В свою очередь атмосферный газовый двигатель был заменен четырехтактным двигателем Отто . Переход на четырехтактные двигатели был необычайно быстрым: последние атмосферные двигатели были сделаны в 1877 году. Вскоре последовали двигатели, работающие на жидком топливе, на дизельном топливе (около 1898 года) или бензине (около 1900 года).
Кроссли [ править ]
Самым известным производителем газовых двигателей в Соединенном Королевстве был Кроссли из Манчестера, который в 1869 году приобрел в Соединенном Королевстве и мире (кроме Германии) права на патенты Отто и Лэнгдена на новый газовый атмосферный двигатель. В 1876 году они приобрели права на более производительный четырехтактный двигатель Otto.
Танье [ править ]
В районе Манчестера находилось еще несколько фирм . Компания Tangye Ltd. из Сметвика, недалеко от Бирмингема, продала свой первый двухтактный двигатель с номинальной мощностью 1 л.с. в 1881 году, а в 1890 году фирма приступила к производству четырехтактного газового двигателя. [4]
Сохранение [ править ]
В Музее двигателей Энсона в Пойнтоне , недалеко от Стокпорта , Англия , есть коллекция двигателей, в которую входят несколько работающих газовых двигателей, в том числе самый большой из когда-либо созданных работающих атмосферных двигателей Crossley.
Текущие производители [ править ]
Производителями газовых двигателей являются Hyundai Heavy Industries , Rolls-Royce с Bergen-Engines AS , Kawasaki Heavy Industries , Liebherr , MTU Friedrichshafen , GE Jenbacher , Caterpillar Inc. , Perkins Engines , MWM , Cummins , Wärtsilä , GE Energy Waukesha , Guascor Power. , Deutz , MTU, MAN, Fairbanks-Morse , Doosan и Yanmar . Выходные диапазоны от около 10 кВт (13 л.с.) микро комбинированного производства тепла и электроэнергии(ТЭЦ) до 18 МВт (24000 л.с.). [5] Вообще говоря, современный высокоскоростной газовый двигатель очень конкурентоспособен с газовыми турбинами мощностью примерно до 50 МВт (67 000 л.с.) в зависимости от обстоятельств, а лучшие из них намного более экономичны, чем газовые турбины. Rolls-Royce с двигателями Bergen, Caterpillar и многие другие производители основывают свою продукцию на блоке дизельного двигателя и коленчатом валу. GE Jenbacher и Waukesha - единственные две компании, двигатели которых разработаны и предназначены только для газа.
Типовые приложения [ править ]
Стационарный [ править ]
Типичные области применения базовой нагрузки схемы генерации или высокой час, в том числе комбинированного производства тепла и электроэнергии (на показатели типичной производительности см [6] ), свалка газ, шахты газа, а -Руководитель газ и биогаз , где отработанное тепло от двигателя может быть используется для подогрева варочных котлов. Типовые параметры установки биогазового двигателя см. [7] Для получения информации о параметрах системы когенерации с большим газовым двигателем, установленной на заводе, см. [8]Газовые двигатели редко используются в резервных приложениях, которые в основном остаются 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. Эти генераторы, подключенные к природному газу от коммунального предприятия или к пропану из резервуаров для хранения на месте, могут быть настроены на автоматический запуск при сбое питания.
Транспорт [ править ]
Двигатели, работающие на сжиженном природном газе (СПГ), расширяются на рынке судостроения, поскольку двигатель, работающий на обедненной газовой смеси, может соответствовать новым требованиям к выбросам без какой-либо дополнительной обработки топлива или систем очистки выхлопных газов. Использование двигателей, работающих на сжатом природном газе (СПГ), также растет в автобусном секторе. Пользователи в Соединенном Королевстве включают « Автобусы для чтения» . Использование газовых автобусов поддерживается союзом Gas Bus Alliance [9], в число производителей входит Scania AB . [10]
Использование газообразного метана или пропана [ править ]
Поскольку природный газ , в основном метан , долгое время был чистым, экономичным и легкодоступным топливом, многие промышленные двигатели либо проектируются, либо модифицируются для использования газа, в отличие от бензина . Их работа приводит к меньшему загрязнению сложными углеводородами, и у двигателей меньше внутренних проблем. Одним из примеров является сжиженный нефтяной газ , в основном пропан . двигатель используется в огромном количестве вилочных погрузчиков. Обычное использование в Соединенных Штатах термина «газ» для обозначения «бензина» требует точного определения двигателя, работающего на природном газе. Существует также такое понятие, как «природный бензин» [11], но этот термин, который относится к подмножеству жидких углеводородов природного газа., очень редко наблюдается за пределами нефтеперерабатывающей промышленности.
Технические детали [ править ]
Смешивание топлива с воздухом [ править ]
Газовый двигатель отличается от бензинового по способу смешивания топлива и воздуха. Бензиновый двигатель использует карбюратор или впрыск 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.
Выхлопные клапаны [ править ]
Слабым местом газового двигателя по сравнению с дизельным двигателем являются выпускные клапаны, поскольку выхлопные газы газового двигателя намного горячее при заданной мощности, и это ограничивает выходную мощность. Таким образом, дизельный двигатель данного производителя обычно будет иметь более высокую максимальную мощность, чем такой же размер блока цилиндров в версии с газовым двигателем. Дизельный двигатель, как правило, будет иметь три различных номинала: резервный, основной и непрерывный, также известный как 1-часовой, 12-часовой и непрерывный рейтинг в Соединенном Королевстве, тогда как газовый двигатель обычно будет иметь только постоянный рейтинг, который будет меньше, чем у дизельного непрерывного режима.
Зажигание [ править ]
Используются различные системы зажигания, включая запальные устройства с горячей трубкой и искровое зажигание . Большинство современных газовых двигателей по сути являются двухтопливными . Основным источником энергии является газо-воздушная смесь, но она воспламеняется за счет впрыска небольшого объема дизельного топлива .
Энергетический баланс [ править ]
Тепловая эффективность [ править ]
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 достичь 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 выделяется в виде отработанного тепла. [8] Большие двигатели более эффективны, чем малые. Газовые двигатели, работающие на биогазе, обычно имеют немного более низкий КПД (~ 1-2%), а синтез-газ еще больше снижает КПД. Последний двигатель GE Jenbacher J624 - первый в мире высокоэффективный 24-цилиндровый газовый двигатель, работающий на метане. [14]
При рассмотрении КПД двигателя следует учитывать, основано ли оно на более низкой теплотворной способности (LHV) или более высокой теплотворной способности (HHV) газа. Производители двигателей обычно указывают КПД на основе более низкой теплотворной способности газа, то есть КПД после того, как энергия была затрачена на испарение внутренней влаги внутри самого газа. Газораспределительные сети обычно взимают плату на основе более высокой теплотворной способности газа. т.е., общее энергосодержание. Заявленный КПД двигателя на основе LHV может составлять 44%, тогда как тот же двигатель может иметь КПД 39,6% на основе HHV на природном газе. Также важно убедиться, что сравнение эффективности проводится на одинаковой основе. Например, некоторые производители имеют насосы с механическим приводом, тогда как другие используют насосы с электрическим приводом для подачи охлаждающей воды двигателя, а использование электроэнергии иногда можно игнорировать, что дает ложно высокую кажущуюся эффективность по сравнению с двигателями с прямым приводом.
Комбинированное тепло и электроэнергия [ править ]
Отводимое от двигателя тепло можно использовать для обогрева здания или технологического процесса. В двигателе примерно половина отработанного тепла возникает (из контуров рубашки двигателя, маслоохладителя и доохладителя) в виде горячей воды, температура которой может достигать 110 ° C. Остальное образуется в виде высокотемпературного тепла, которое может генерировать горячую воду или пар под давлением за счет использования теплообменника выхлопных газов .
Охлаждение двигателя [ править ]
Два наиболее распространенных типа двигателей - это двигатель с воздушным охлаждением или двигатель с водяным охлаждением . С водяным охлаждением в настоящее время используется антифриз в двигателе внутреннего сгорания.
Некоторые двигатели (воздушные или водяные) имеют дополнительный охладитель масла.
Для отвода чрезмерного тепла требуется охлаждение, так как перегрев может вызвать отказ двигателя, как правило, из-за износа, растрескивания или деформации.
Расчет расхода газа [ править ]
Формула показывает потребность газового двигателя в потоке газа в нормальных условиях при полной нагрузке.
куда:
- расход газа в нормальных условиях
- мощность двигателя
- механический КПД
- LHV - это низкая теплотворная способность газа.
Галерея исторических газовых двигателей [ править ]
- Исторические газовые двигатели
1905 г. Обычный газовый двигатель Национальной компании мощностью 36 л.с.
1903 Газовый двигатель Körting
Вертикальный газовый двигатель Backus
Горизонтальный газовый двигатель Отто
Вертикальный газовый двигатель Otto
Газовый двигатель Westinghouse
Газовый двигатель и динамо Crossley
Электрогенерирующая установка с двумя газовыми двигателями Premier
Газовый двигатель 125 л.с. и динамо-машина
Crossley Brothers Ltd., 1886 г. Двигатель № 1, одноцилиндровый, 4-х тактный газовый двигатель мощностью 4,5 л.с., 160 об / мин.
Газовый двигатель Crossley 1915 года (тип GE130 No75590), 150 л.с.
Национальный газовый двигатель
Тандемный мощный газовый двигатель Premier
Доменный газовый двигатель с дутьевым цилиндром
Газовый двигатель Stockport и динамо-машина с ременным приводом
См. Также [ править ]
- Автогаз
- Директива о ТЭЦ
- Когенерация
- Газовая турбина
- История двигателя внутреннего сгорания
- Список автомобилей, работающих на природном газе
- Таблицы использования биогаза в Европе
- Музей двигателя Энсона
Ссылки [ править ]
- ^ "GE Jenbacher | Газовые двигатели" . Clarke-energy.com . Проверено 28 сентября 2013 .
- ^ «заводите двигатели! - газовые двигатели» . Library.thinkquest.org . Проверено 28 сентября 2013 .
- ^ "Атмосферный газовый двигатель Crossley" (PDF) . Музей науки и промышленности. Архивировано из оригинального (PDF) 22 октября 2013 года . Проверено 23 сентября 2013 года .
- ^ "Основные отрасли промышленности Великобритании Аберконвеем - Глава XXI" . Gracesguide.co.uk . Проверено 5 июня 2010 .
- ^ "Газовые двигатели в Wärtsilä" . Wartsila.com . Проверено 28 сентября 2013 .
- ^ Эндрюс, Дэйв (2014-04-23). "Finning Caterpillar Gas Engine Ratings | Claverton Group" . Claverton-energy.com . Проверено 9 августа 2014 .
- ^ Эндрюс, Дэйв (2008-10-14). «38% HHV двигатель Caterpillar на биогазе, установленный для канализационных сооружений | Claverton Group» . Claverton-energy.com . Проверено 28 сентября 2013 .
- ^ а б Эндрюс, Дэйв (24.06.2010). «Завершите установку когенерационной установки Deutz с газовым двигателем мощностью 7 МВт (2 x 3,5 МВт) для продажи и переустановки в стране по вашему выбору. Аналогичное доступно для биогаза / газа из биореактора | Claverton Group» . Claverton-energy.com . Проверено 28 сентября 2013 .
- ^ "Global CNG Solutions Ltd - Группа газового альянса" . Globalcngsolutions.com. Архивировано из оригинала на 2017-06-27 . Проверено 9 августа 2014 .
- ^ «Первые в Великобритании автобусы Scania-ADL, работающие на газе, доставлены компании Reading Buses» . scania.co.uk. 2013-04-23 . Проверено 9 августа 2014 .
- ^ «Глоссарий - Управление энергетической информации США (EIA)» . Проверено 22 декабря 2018 .
- ^ "ТЭЦ | Когенерация | GE Jenbacher | Газовые двигатели" . Кларк Энерджи. Архивировано из оригинала на 2012-04-30 . Проверено 28 сентября 2013 .
- ^ «Rolls-Royce представляет новые газовые двигатели B36: 45 на рынке США; КПД до 50%» . Конгресс зеленых автомобилей . Проверено 25 января 2019 .
- ^ «Продукты и услуги» . Ge-energy.com . Проверено 28 сентября 2013 .
Внешние ссылки [ править ]
 | Викискладе есть медиафайлы по теме газовых двигателей . |
- Газовый двигатель Crossley
- Антикварные стационарные двигатели
- Старые двигатели
- Статьи о газовых двигателях
- Gas Engine Magazine - Исторический журнал внутреннего сгорания
- Клерк, Дугальд (1911). . Британская энциклопедия . 11 (11-е изд.). С. 495–501.
