Введение

Двигатель внутреннего сгорания, работающий на газообразном топливе.

Другие двигатели.

Газовый двигатель – это двигатель внутреннего сгорания, работающий на горючем газе (газообразном топливе), таком как угольный газ, генераторный газ, биогаз, газ с полигонов, природный газ или водород. В Великобритании и странах, где говорят на британском английском, этот термин однозначен. В Соединенных Штатах, из-за широкого использования слова "gas" как сокращения для бензина, такой двигатель иногда называют уточняющим термином, например, двигатель, работающий на газообразном топливе, или двигатель на природном газе. В современном понимании термин "газовый двигатель" обычно относится к мощному промышленному двигателю, способному работать непрерывно при полной нагрузке в течение периода, приближающегося к значительной части 8760 часов в год, в отличие от бензинового автомобильного двигателя, который является легким, имеет высокие обороты и обычно работает не более 4000 часов за весь срок службы. Типичный диапазон мощности составляет от… до…

Леноар

В XIX веке проводилось множество экспериментов с газовыми двигателями, но первый практичный двигатель внутреннего сгорания, работающий на газе, был создан бельгийским инженером Этьеном Ленуаром в 1860 году. Однако двигатель Ленуара отличался низкой мощностью и высоким расходом топлива.

Отто и Ланген

Работа Ленора была дополнительно исследована и усовершенствована немецким инженером Николаусом Августом Отто, который впоследствии изобрел первый четырехтактный двигатель, эффективно сжигающий топливо непосредственно в поршневой камере. В августе 1864 года Отто встретил Югена Лангена, который, обладая техническим образованием, увидел потенциал разработки Отто, и уже через месяц после встречи основал первый в мире завод по производству двигателей NA Otto & Cie в Кельне. В 1867 году Отто запатентовал свой усовершенствованный проект, который 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 поднимался примерно на восемь дюймов, смесь газа и воздуха воспламенялась небольшим вспомогательным пламенем, горящим снаружи, что приводило к подъему поршня (соединенного с зубчатой рейкой) и создавало частичный вакуум под ним. На восходящем ходе полезная работа не совершалась. Работа выполнялась при опускании поршня и зубчатой рейки под действием атмосферного давления и их собственного веса, вращая главный вал и маховики. Его преимуществом перед существующими паровыми двигателями была возможность запуска и остановки по требованию, что делало его идеальным для прерывистых работ, таких как погрузка или разгрузка барж.

Двигатель четырехтактный

Атмосферный газовый двигатель был в свою очередь заменен четырёхтактным двигателем Отто. Переход к четырёхтактным двигателям произошел удивительно быстро, и последние атмосферные двигатели были изготовлены в 1877 году. Вскоре появились двигатели, работающие на жидком топливе, использующие дизельное топливо (около 1898 года) или бензин (около 1900 года).

Кроссли .

Наиболее известным производителем газовых двигателей в Соединенном Королевстве была компания Crossley из Манчестера, которая в 1869 году приобрела права на патенты Отто и Лангена для нового газового двигателя с атмосферным зажиганием на территории Соединенного Королевства и во всем мире (за исключением Германии). В 1876 году они приобрели права на более эффективный четырехтактный двигатель Отто.

Танье

В районе Манчестера также располагалось несколько других фирм. Компания Tangye Ltd. из Сметвика, близ Бирмингема, продала свой первый газовый двигатель мощностью 1 номинальную лошадиную силу двухтактного типа в 1881 году, а в 1890 году фирма приступила к производству четырехтактных газовых двигателей.

Сохранение

В Музее двигателей Ансона в Пойнтоне, рядом со Стокпортом, Англия, собрана коллекция двигателей, включающая несколько рабочих газовых двигателей, в том числе самый большой в мире действующий атмосферный двигатель 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 (основанный как Motorfahrzeug und Motoren Werke Mannheim AG в 1909 году Карлом Бенцем), Cummins, Wärtsilä, INNIO Waukesha, Guascor Energy, Deutz, MTU, MAN, Scania AB, Fairbanks Morse, Doosan, Eaton (преемник Cooper Industries, ранее занимавшего значительную долю рынка), и Yanmar. Диапазон мощности варьируется от микро-когенерационных установок (CHP) до… В целом, современный высокоскоростной газовый двигатель весьма конкурентоспособен с газовыми турбинами вплоть до… в зависимости от условий, а лучшие модели гораздо экономичнее газовых турбин. Rolls Royce с Bergen Engines, Caterpillar и многие другие производители создают свою продукцию на базе блока и коленчатого вала дизельного двигателя. INNIO Jenbacher и Waukesha – единственные компании, чьи двигатели разработаны и предназначены исключительно для работы на газе.

Стационарные

Типичными областями применения являются схемы генерации базовой нагрузки или работы в течение длительного времени, включая комбинированное производство тепла и электроэнергии (типичные характеристики производительности приведены в), газ с полигонов ТБО, шахтный газ, газ от скважин и биогаз, где отработанное тепло двигателя может использоваться для подогрева реакторов. Типичные параметры установки биогазового двигателя приведены в. Параметры крупной газопоршневой установки когенерации, устанавливаемой на заводах, приведены в. Газовые двигатели редко используются для резервного питания, которое в основном остается областью применения дизельных двигателей. Исключением является небольшой (<150 кВт) аварийный генератор, который часто устанавливается на фермах, в музеях, малых предприятиях и жилых домах. Подключаемые к природному газу от коммунальных служб или пропану из локальных резервуаров, эти генераторы могут быть настроены на автоматический запуск при отключении электроэнергии.

Транспорт

На морском рынке расширяется применение двигателей, работающих на сжиженном природном газе (СПГ), поскольку газовые двигатели с обедненной смесью могут соответствовать новым требованиям по выбросам без дополнительной обработки топлива или систем очистки выхлопных газов. Также растет использование двигателей, работающих на сжатом природном газе (СПГ), в автобусном секторе. Среди пользователей в Соединенном Королевстве – компания Reading Buses. Использование газовых автобусов поддерживается Gas Bus Alliance, а в число производителей входит Scania AB.

Использование газообразного метана или пропана

Поскольку природный газ, состоящий главным образом из метана, давно является экономичным и легкодоступным топливом, многие промышленные двигатели либо разрабатываются, либо модифицируются для работы на газе, в отличие от бензина. Их эксплуатация производит менее сложные углеводородные выбросы, а сами двигатели имеют меньше внутренних проблем. Примером может служить двигатель, работающий на сжиженном нефтяном газе, в основном на пропане, который широко используется в вилочных погрузчиках. Распространенное в США употребление слова "gas" для обозначения "бензина" требует четкого указания, что речь идет о двигателе, работающем на природном газе. Существует также "натуральный бензин", но этот термин, относящийся к определенной группе жидких углеводородов природного газа, крайне редко встречается за пределами нефтеперерабатывающей отрасли.

Смешивание топлива и воздуха

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

Выхлопные клапаны

Слабым местом газового двигателя по сравнению с дизельным являются выхлопные клапаны, поскольку выхлопные газы газового двигателя при той же мощности значительно горячее, что и ограничивает его мощность. Таким образом, дизельный двигатель от одного и того же производителя обычно имеет более высокую максимальную мощность, чем газовый двигатель того же объема. Дизельный двигатель обычно имеет три различных режима работы: резервный, основной и непрерывный, также известные как часовой, 12-часовой и непрерывный режимы в Соединенном Королевстве, в то время как газовый двигатель обычно имеет только непрерывный режим, который будет ниже, чем непрерывный режим дизельного двигателя.

Зажигание

Используются различные системы зажигания, включая зажигание от нагретой трубки и искровое зажигание. Некоторые современные газовые двигатели по сути являются двухтопливными. Основным источником энергии служит газовоздушная смесь, но она воспламеняется за счет впрыска небольшого количества дизельного топлива.

Тепловая эффективность

Газовые двигатели, работающие на природном газе, обычно имеют тепловую эффективность от 35 до 45% (по нижней тепловой ценности – LHV). По состоянию на 2018 год, лучшие двигатели могут достигать тепловой эффективности до 50% (по LHV). Эти газовые двигатели, как правило, являются среднескоростными двигателями Bergen Engines. Энергия топлива преобразуется на выходном валу, а остальная часть рассеивается в виде отработанного тепла. При оценке эффективности двигателя необходимо учитывать, рассчитывается ли она по нижней (LHV) или верхней (HHV) тепловой ценности газа. Производители двигателей обычно указывают эффективность на основе нижней тепловой ценности газа, то есть эффективность после учета энергии, затраченной на испарение содержащейся в газе влаги. Газораспределительные сети обычно тарифицируют газ по верхней тепловой ценности, то есть по его общей энергетической емкости. Указанная эффективность двигателя по LHV может составлять, например, 44%, в то время как та же модель двигателя может иметь эффективность 39,6% по HHV при работе на природном газе. Важно также, чтобы сравнение эффективности проводилось на сопоставимой основе. Например, некоторые производители используют насосы с механическим приводом, а другие – с электрическим для циркуляции охлаждающей воды двигателя, и потребление электроэнергии иногда игнорируется, что приводит к завышенной кажущейся эффективности по сравнению с двигателями с прямым приводом.

Комбинированная теплоэнергетика

Отходы тепла двигателя могут использоваться для отопления зданий или технологических процессов. В двигателе около половины отводимого тепла выделяется (из рубашки охлаждения двигателя, охладителя масла и контуров послеохладителя) в виде горячей воды, температура которой может достигать 110 °C. Оставшаяся часть тепла представляет собой высокотемпературный источник, который с помощью теплообменника выхлопных газов может генерировать горячую воду под давлением или пар.

Охлаждение двигателя

Два наиболее распространенных типа двигателей – двигатель с воздушным или водяным охлаждением. В современных системах водяного охлаждения используется антифриз в двигателе внутреннего сгорания.

Некоторые двигатели (с воздушным или водяным охлаждением) оснащены дополнительным масляным радиатором. Охлаждение необходимо для отвода избыточного тепла, поскольку перегрев может привести к выходу двигателя из строя, обычно из-за износа, растрескивания или деформации.