Газовый двигатель

редактировать

Газовый двигатель для выработки электроэнергии

Модель Газовый двигатель Hartop S-типа

A газовый двигатель - это двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе, таком как угольный газ, генераторный газ, биогаз, свалочный газ или природный газ. В Соединенном Королевстве термин однозначный. В Соединенных Штатах из-за широкого использования слова «газ» в качестве аббревиатуры для бензин (бензин) такой двигатель также может называться газовым двигателем или природным газом. двигатель или искра загорелась.

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 легкий, высокооборотный 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.).

Содержание

1 История
- 1.1 Ленуар
- 1.2 Отто и Ланген
- 1.3 Четырехтактный двигатель
- 1.4 Crossley
- 1.5 Tangye
- 1.6 Консервация
2 Текущие производители
3 Типичные области применения
- 3.1 Стационарная установка
- 3.2 Транспортировка
4 Использование газообразного метана или пропана
5 Технические характеристики
- 5.1 Смешивание топлива с воздухом
- 5.2 Выпускные клапаны
- 5.3 Зажигание
6 Энергетический баланс
- 6.1 Тепловой КПД
- 6.2 Комбинированное тепло и энергия
- 6.3 Охлаждение двигателя
- 6.4 Газ расчет расхода
7 Галерея исторических газовых двигателей
8 См. также
9 Ссылки
10 Внешние ссылки

История

Газовый двигатель Ленуара 1860 года.

Отто- Ланген газовый двигатель 1867 года.

Газовый атмосферный двигатель Crossley мощностью 3 л.с. в действии в Музее двигателей Энсона.

Ленуар

В 19 веке проводилось много экспериментов с газовыми двигателями, но это были первые практические газы. -топливный двигатель внутреннего сгорания был построен бельгийским инженер Этьен Ленуар в 1860 году. Однако двигатель Ленуара страдал малой выходной мощностью и большим расходом топлива.

Отто и Ланген

Работа Ленуара была дополнительно исследована и улучшена немецким инженером Николаем Августом Отто, который позже изобрел первый четырехтактный двигатель для эффективного горения топливо прямо в поршневую камеру. В августе 1864 года Отто встретил Ойгена Лангена, который, получив техническую подготовку, увидел потенциал развития Отто, и через месяц после встречи основал в Кельне первый в мире завод по производству двигателей NA Otto Cie. 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 заставляет поршень (который соединен с зубчатой рейкой) подниматься вверх, создавая под ним частичный вакуум. По ходу вверх работа не выполняется. Работа выполняется, когда поршень и зубчатая рейка опускаются под действием атмосферного давления и собственного веса, вращая главный вал и маховики при падении. 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 баржи.

Четырехтактный двигатель

Атмосферный газ В свою очередь, двигатель был заменен четырехтактным двигателем Отто . Переход на четырехтактные двигатели был удивительно 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).

Crossley

Самым известным производителем газовых двигателей в Соединенном Королевстве был Crossley из Манчестера, который в 1869 году приобрел права в Соединенном Королевстве и во всем мире (кроме Германии). к патентам Отто и Лангдена на новый атмосферный двигатель, работающий на газе. В 1876 году они приобрели права на более производительный четырехтактный двигатель Otto.

Танге

В районе Манчестера также находилось несколько других фирм. Tangye Ltd. из Сметвика, недалеко от Бирмингема, в 1881 году продала свой первый газовый двигатель, двухтактный двигатель номинальной мощностью 1 л.с., а в 1890 году фирма приступила к производству четырех двигателей. газовый двигатель.

Сохранение

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

Текущие производители

Среди производителей газовых двигателей: 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, Фэрбенкс-Морс, Дусан и Янмар. Выходная мощность варьируется от 10 кВт (13 л.с.) микрокомбинированного производства тепла и электроэнергии (ТЭЦ) до 18 МВт (24 000 л.с.). Вообще говоря, современный высокоскоростной газовый двигатель очень конкурентоспособен с газовыми турбинами мощностью 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 применения

Стационарные

Типичные применения: базовая нагрузка или схемы многочасовой выработки, включая комбинированное производство тепла и электроэнергии (см. типовые показатели производительности), свалочный газ, шахтный газ, скважинный -фазовый газ и биогаз, где Отработанное тепло двигателя можно использовать для обогрева варочных котлов. Типовые параметры установки биогазового двигателя см. Параметры большой газовой ТЭЦ, установленной на заводе, см. Газовые двигатели редко используются в резервных приложениях, которые остаются в основном прерогативой дизельных двигателей. Единственным исключением из этого правила являются небольшие двигатели (<150 kW) emergency generator often installed by farms, museums, small businesses, and residences. Connected to either natural gas from the public utility or propane from on-site storage tanks, these generators can be arranged for automatic starting upon power failure.

Транспорт

Двигатели, работающие на сжиженном природном газе (СПГ), все больше и больше выходят на рынок морских судов, поскольку двигатель на обедненной газовой смеси может соответствовать новым требованиям по выбросам без дополнительной обработки топлива или системы очистки выхлопных газов. Использование двигателей, работающих на сжатом природном газе (CNG), также растет в секторе автобусов. Пользователи в Соединенном Королевстве включают читающие автобусы. Использование газовых автобусов поддерживается Gas Bus Alliance, и производители включают Scania AB.

Использование газообразного метана или пропана

Начиная с природного газа, в основном метана. уже давно является чистым, экономичным и легкодоступным топливом, многие промышленные двигатели либо спроектированы, либо модифицированы для работы на газе, в отличие от бензина. Их работа приводит к менее сложным углеводородным загрязнениям, и у двигателей меньше внутренних проблем. Одним из примеров является сжиженный углеводородный газ, главным образом пропан. Двигатель, используемый в va номера автопогрузчиков погрузчиков. Обычное использование в Соединенных Штатах слова «газ» для обозначения «бензина» требует точного определения двигателя, работающего на природном газе. Также существует такое понятие, как «природный бензин», но этот термин, который относится к подмножеству сжиженного природного газа, очень редко встречается за пределами нефтеперерабатывающей промышленности.

Технические детали

Смешивание топлива и воздуха

Газовый двигатель отличается от бензинового двигателя тем, как смешиваются топливо и воздух. В бензиновом двигателе используется карбюратор или впрыск топлива. но в газовом двигателе часто используется простая система Вентури для введения 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 двигателем являются выпускные клапаны, так как выхлопные газы газового двигателя намного горячее при заданной мощности., и это ограничивает выходную мощность. Таким образом, дизельный двигатель от данного производителя обычно будет иметь более высокую максимальную мощность, чем такой же размер блока цилиндров в версии с газовым двигателем. Дизельный двигатель, как правило, имеет 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 имеет только постоянный рейтинг, который будет меньше, чем у дизельного непрерывного режима.

Зажигание

Используются различные системы зажигания, в том числе запальники с горячей трубкой и искровое зажигание. Большинство современных газовых двигателей - это, по сути, двухтопливные двигатели. Основным источником энергии является газо-воздушная смесь, но она воспламеняется за счет впрыска небольшого объема дизельного топлива.

Энергетический баланс

Тепловой КПД

Газовые двигатели, которые работающие на природном газе, как правило, имеют тепловой КПД в пределах 35-45% (на основе LHV ). По состоянию на 2018 год лучшие двигатели могут достигать теплового КПД до 50% (на основе LHV). Эти газовые двигатели обычно представляют собой среднеоборотные двигатели Bergen Engines Топливная энергия возникает на выходном валу, остальная часть выделяется в виде отработанного тепла. 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 GE Jenbacher J624 является первым в мире высокоэффективным 24-цилиндровым газовым двигателем, работающим на метане.

При рассмотрении эффективности двигателя следует учитывать, основано ли оно на более низкой теплотворной способности (LHV) или более высокая теплотворная способность (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 за более высокую теплотворную способность газа. т.е. полное 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 мощность

Отводимое от двигателя тепло можно использовать для обогрева здания или обогрева 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. Остальная часть возникает в виде высокотемпературного тепла, которое может генерировать горячую воду или пар под давлением за счет использования выхлопных газов теплообменник.

Охлаждение двигателя

Двумя наиболее распространенными типами двигателей являются воздух. двигатель с водяным охлаждением или двигатель с водяным охлаждением. В настоящее время с водяным охлаждением используется антифриз в двигателе внутреннего сгорания

Некоторые двигатели (воздушные или водяные) имеют дополнительный охладитель масла .

Охлаждение требуется для отвода чрезмерного тепла, так как перегрев может вызвать отказ двигателя, обычно из-за износа, растрескивания или деформации.

Расчет расхода газа

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

$Q = P η ⋅ 1 LHV gas {\ displaystyle Q = {\ frac {P} {\ eta}} \ cdot {\ frac {1} {LHV_ {gas}}}}$ ${\ displaystyle Q = {\ frac {P} {\ eta}} \ cdot {\ frac {1} {LHV_ {gas}}}}$

где:

$Q {\ displaystyle Q}$ $Q$ - расход газа в нормальных условиях
$P {\ displaystyle {P}}$ ${P}$ - мощность двигателя
$η {\ displaystyle {\ eta}}$ ${\ eta}$ - механический КПД
LHV - низкая теплотворная способность газа

Галерея исторических газовых двигателей

Исторические газовые двигатели
1905 г. Обычный газ Национальной компании двигатель 36 л.с.
газовый двигатель Körting 1903
вертикальный газовый двигатель Backus
горизонтальный газовый двигатель Otto
вертикальный газовый двигатель Otto
газовый двигатель Westinghouse
газовый двигатель Crossley и динамо-машина
Premier электрогенерирующая установка с двумя газовыми двигателями
Газовый двигатель мощностью 125 л.с. и динамо-машина
Crossley Brothers Ltd., 1886 г. Двигатель № 1, 4,5 л.с., одноцилиндровый, 4-тактный газовый двигатель, 160 об / мин.
Газовый двигатель Crossley 1915 года (тип GE130 No75590), 150 л.с.
National Gas Engine
Тандемный мощный газовый двигатель Premier
Доменный газовый двигатель с выдувным цилиндром
Газовый двигатель Stockport и динамо-машина с ременным приводом