| мотопомпы | | | стабилизаторы | | | газогенераторы | | | двигатели |
О существовании бензиновых и дизельных двигателей известно почти каждому жителю планеты. Но праотцом всех современных двигателей внутреннего сгорания является газовый двигатель. Появление этого двигателя послужило базой для создания дизельных и бензиновых двигателей. В нашей статье представлены некоторые исторические факты создания зарубежного моторостроения, основные события, новые разработки и достижения, произошедшие за последние десятилетия в этой отрасли. Также мы обсудим свойства применяемых видов газа в качестве топлива и результаты продуктов горения и проанализируем системы управления двигателей наиболее известных производителей. Газовые двигатели незаменимы там, где стоит вопрос энергетической независимости объектов. Они применяются в качестве механических приводов генераторов электростанции для выработки электроэнергии и тепла. ГАЗОВЫЙ ДВИГАТЕЛЬ КАК САМОСТОЯТЕЛЬНЫЙ КЛАСС О существовании дизельных и бензиновых двигателей известно почти каждому жителю планеты, и то, что они находятся в постоянном техническом развитии и производятся во всем мире в большом количестве, никого не удивляет. Область их применения во всех сферах жизнедеятельности человечества настолько широка, что даже нет необходимости перечислять все направления их использования. Громадный объем производства всегда предъявлял к этим двигателям особые требования, заставляя специалистов постоянно их совершенствовать, и на сегодняшний день бензиновые и дизельные двигатели уже достигли высочайшего уровня. Газовые двигатели незаменимы там, где стоит вопрос энергетической независимости объектов. Они применяются в качестве механических приводов генераторов для выработки электроэнергии и тепла. Почему же мы будем говорить о газопоршневых двигателях обособленно и выделять их в отдельный класс, хотя по принципу работы и многим характеристикам они очень близки к своим собратьям? Основное отличие этих двигателей, как это вытекает из их названия, заключается в использовании газа в качестве основного вида топлива. Газообразное топливо обусловливает совершенно иные процессы в двигателе, создает другие возможности регулирования данных процессов, заставляет искать отличительную технологию подготовки горючей смеси. У газовых двигателей есть индивидуальные конструктивные особенности. Кроме того, цели, для которых они разрабатываются, совсем другие, а именно: работа при неизменном числе оборотов для достижения высоких показателей по КПД и эксплуатация в длительных интервалах времени с изменяемым режимом нагрузок. Если говорить о КПД современных газопоршневых установок (ГПУ), то они на сегодня уже <наступают на пятки> дизельным, а в некоторых случаях даже их опережают. К газовым двигателям можно отнести не только классический двигатель внутреннего сгорания Отто (Gas-Ottomotor), но и газодизельный (Gas-Dieselmotor) и дизельно-газовый (Diesel-Gasmotor) двигатели, о существовании которых было известно еще в первые годы XIX века и которые положили начало современному моторостроению. Ввиду сложившихся исторических и экономических причин на некоторое время они были забыты. Вспомнили об их существовании совсем недавно, когда остро встал вопрос энергетической независимости объектов - децентрализованного, локального применения двигателей в качестве механических приводов генераторов для выработки электроэнергии и тепла. Конечно, это связано с тем, что природный газ стал основным видом топлива во многих странах мира, более дешевым и доступным благодаря разветвленной транспортной сети. Но главное, продукты его сгорания отвечают требованиям защиты окружающей среды. Какие ассоциации вызывают у нас сегодня современные ГПУ? По сравнению с другим оборудованием газопоршневые установки имеют следущие преимущества:
ПРАОТЕЦ СОВРЕМЕННЫХ ДВС
Многие блестящие изобретатели работали над усовершенствованием принципа Гюйгенса, однако теоретические основы всех последующих двигателей изложены в основополагающих трудах французского физика Сади Николы Леонарда Карно (1796-1823), обессмертившего свое имя работой "Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу". Первый работоспособный двигатель внутреннего сгорания на светильном газе создал в 1860 году в Париже уроженец Люксембурга Жан-Жозе-Этьен Ленур (1822-1900). Этот двигатель работал без сжатия газовоздушной смеси, но уже имел высоковольтное искровое воспламенение. Николаус Август Отто (1832-1891), один из основоположников промышленного моторостроения, проводя опыты параллельно с Этьеном Ленуром, пытался сделать двигатель независимым от газовой сети, работающим на спирту и способным приводить в движение другие механизмы. В процессе экспериментов было сделано открытие возрастающего воздействия силы сжатия на топливно-воздушную смесь перед сгоранием, которое уже в 1861 году привело к созданию четырехтактного двигателя с тактом сжатия топлива. В 1864 году Николаус Август Отто и Ойген Ланген основали первую в мире моторостроительную компанию N. A. Otto & Ое. Через три года, в 1867-м, разработанная Н. А. Отто и О. Лангеном "атмосферная силовая машина" получила золотую медаль на выставке в Париже как самая экономичная приводная машина для малого производства. Интересно отметить, что атмосферный газовый двигатель № 1 был продан прямо с выставки, а спустя 8 лет выкуплен назад в качестве образца для коллекции моторов. С 1868 года компания начала производить атмосферные газовые двигатели партиями, а когда Крослей Бразерс из Манчестера получил лицензию на производство атмосферных газовых двигателей, в Англии началась эпоха серийного выпуска этой продукции. Возрастающий спрос на двигатели требовал расширения производства. Благодаря большим капиталам, вложенным гамбургским коммерсантом Розен-Рунге в компанию N.A. Otto & Ое, был построен новый завод, и предприятие поменяло название на Langen, Otto & Roosen, а после очередного расширения компании в 1872 году было основано акционерное общество Gasmotoren-Fabrik Deutz AG (GFD). В 1876 году Николаус Август Отто завершил создание четырехтактного двигателя для любого вида топлива и для всех областей применения. Этим двигателем было положено начало моторизации на Земле. Решением наблюдательного совета в честь Н. А. Отто новые двигатели были названы двигателями Отто. Необходимо отметить, что все существовавшие до этого времени моторы работали на светильном газе, что ставило их в зависимость от общественного газоснабжения. Для использования жидкого топлива не было соответствующей системы зажигания, а газо-факельное зажигание не могло применяться для бензиновых двигателей.
ХХ ВЕК. НОВЫЕ ОТКРЫТИЯ Уже к 1906 году в мире насчитывалось около 29 компаний, производивших большие стационарные ГД. Среди них MAN in Nurnberg, John Cockerill in Seraing, Belgien, Fried.Krupp in Essen, Maschinenfabrik Thyssen&Co и многие другие. Но все чаще дизель стал вытеснять с рынка газовый двигатель благодаря своему более высокому КПД, высокой мощности, а главное, автономности.
В США тоже продолжались разработки, и к концу 40-х годов XX века американские компании могли похвастаться некоторыми ГД большой мощности: Nordberg Manufacturing Сотр. In Milwaukee, 1948, Cooper Bessemer, 1949, Superior Hamilton, 1948. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ СОВРЕМЕННОГО МОТОРОСТРОЕНИЯ В XX веке благодаря новым технологиям газовые двигатели активно развивались, причем этот процесс происходил вопреки нарастающему дефициту основного источника энергии - газа и энергосберегающей политике государств, вызванным европейским энергетическим кризисом в конце 70-х годов XX века. Руководитель ГРЭС в Хайденхайме инженер Карл Хайн впервые реализовал на своей станции идею, возникшую еще 1830 году, - принцип когенерации. Встречая отчаянное сопротивление со стороны крупных поставщиков электроэнергии, он добился права на подключение ГПУ в параллель с сетью, пропагандировал независимые, децентрализованные источники тепло- и электроэнергии, обеспечив тем самым для ГПУ новое место на рынке. А рынок отреагировал новыми требованиями к ГД и их сервисному обслуживанию, которые заключались в следующем:
Для многих производителей такие требования показались трудновыполнимыми, хотя процесс улучшения ГД находился в постоянном развитии. Подготовка газовоздушной смеси Новую веху в развитии ГД открыл способ подачи смеси, впервые примененный на заводах в Jenbacher Werk, MAN, MWM(1981). Теперь в турбонагнетатель для сжатия поступал не просто воздух, а приготовленная в карбюраторе/смесителе идеально гомогенизированная газовоздушная смесь. Правда, поначалу многих беспокоил риск самовозгорания в тракте всасывания, так как смесь подавалась под большим давлением и при повышенной температуре. Однако в процессе испытаний выяснилось, что обедненная смесь имеет меньшую скорость распространения фронта пламени, вызывая при поджиге лишь незначительное увеличение давления. Первые двигатели такого принципа были установлены в г.Ротвайле (Германия). Точное регулирование двигателей при λ=1 Из-за возросших в Европе требований к контролю над выхлопными газами в начале 80-х годов XX века были проведены испытания для определения граничных значений загрязняющих веществ. Для ГД они были получены при λ= 1 (лямбда - отношение участвующего в горении воздуха к минимально требуемому для стехиометрического горения) и с использованием трехходового каталитического реактора. Регулирование подачи газовоздушной смеси и применение катализатора в выхлопном тракте позже приобрело совершенно иной смысл. Подготовка топлива теперь должна была осуществляться с высокой точностью при λ= 1, но с небольшим уклоном в сторону обогащения (то есть λ=0,95-0,98). Предыдущий этап развития был нацелен лишь на увеличение КПД двигателя и такого требования не предъявлял. Для замера доли воздуха в топливе в это время в автомобильной промышленности был разработан так называемый лямбда-зонд, устанавливаемый в выхлопном тракте. Получаемые значения напряжений напрямую зависели от содержания кислорода в выхлопе. Эти знания мгновенно были позаимствованы для ГД. Новая система регулировки подачи смеси по принципу <лямбда=1-> (λ= 1 -), способная удерживать ее в необходимых пределах +2% и вышеупомянутый катализатор стали серийными элементами для всех двигателей мощностью свыше 500 кВт Переход на обедненные смеси В процессе эксплуатации двигателей, оснащенных трехходовыми катализаторами, выяснилось, что их применение не во всех случаях эффективно. Были установлены факты выхода из строя катализаторов, в частности их прогорания, из-за забросов температуры выхлопных газов при пропуске такта зажигания, при наличии агрессивных примесей - серы, хлора, фтора, а также отравляющих свинцовых и мышьячных углеводородных примесей. По этой причине переход к концепции работы двигателей на обедненной смеси был вполне закономерным. Как показали исследования, при увеличении доли воздуха в смеси низкие показатели NOx получались и без катализатора. Порцию заряда, подаваемого в камеру сгорания, обедняли, а потерю мощности компенсировали за счет создаваемого давления нагнетания. Для поддержания заданного и более точного соотношения смеси на заводе Йенбахер (Jenbacher) в 1985 году была разработана система контроля и управления двигателем LEANOXR, получившая в 1990 году премию Европейского сообщества по охране окружающей среды. Принцип данной системы базируется на теоретических законах, описывающих процессы в ДВС, и заключается в измерении давления и температуры в тракте всасывания (ресивере), а также получаемой на выходе электрической мощности. Приводя исходные параметры к единой системе и косвенно определяя теплотворную способность топлива, получаем значение, необходимое для формирования сигнала контроля и регулировки привода смесителя, то есть необходимого числа λ. Конечно, существуют другие методы измерения и получения требуемых параметров, целью которых является поддержание необходимых пропорций воздуха для используемого газа. Например, компания Deutz измеряет среднюю температуру горения непосредственно в цилиндрах, MAN применяет коэффициент неравномерности смеси в цилиндре и специальный лямбда-зонд, Caterpillar использует так называемый ионный зонд, замеряя в камере сгорания длительность процесса горения, Blohm & Voss использует температуру выхлопных газов (ТВГ) и т.д. (более подробно о системах регулирования, в частности LEANOXR, их преимуществах и недостатках мы расскажем в следующих статьях). Нельзя не упомянуть об электронном регулировании всего модуля. Для обработки полученных параметров и передачи сигналов на исполнение и удержание требуемых значений одновременно с системой LEANOXR была разработана система менеджмента DIA.NE DIALOG NETWORK. DIA.NE XT является новым поколением менеджмента моторов Jenbacher для всех типов агрегатов. DIA.NE XT объединяет в одном приборе блок управления и регулировки и устройство визуализации. Система визуализации для персонального компьютера DIA.NE WIN оптимально сочетает централизованность и комфорт обслуживания, позволяет индивидуально организовывать коммуникацию с вышестоящими системами управления. При создании DIA.NE XT основное внимание было уделено гармоничному сочетанию скоростной и гибкой электроники систем управления с комфортом обслуживания. Оригинальная концепция машинного обеспечения использует самые современные компоненты и задает новые масштабы функциональности, скорости и надежности эксплуатации. Многоцветная графическая индикация делает DIA.NE удобным интерфейсом между человеком и машиной. Она значительно облегчает работу как обслуживающему, так и сервисно-ремонтному персоналу. Форкамерный и форкамерно-факельный принципы зажигания В последнее время рынок ГПУ характеризуется увеличением единичных мощностей и объемов цилиндров. Большие цилиндры требуют специального, усиленного процесса воспламенения, с которым привычный свечной не всегда справляется. Методики воспламенения обедненных смесей были известны ранее, но впервые были применены в 1986 году. Одна из этих методик - свечной форкамерный поджиг. Свеча, помещенная в форкамеру, выделенную от основной камеры сгорания в обособленный резервуар и соединенную с ней тонкими каналами, воспламеняет более насыщенную смесь, образовавшуюся в форкамере в момент сжатия за счет турбулентности потока в узких каналах. Преимущество такой системы - отсутствие дополнительного оснащения. В 1989 году завод Йенбахер приступил к серийному производству двигателей шестого модельного ряда, система воспламенения которых базировалась на форкамерно-факельном принципе. В форкамеру, представляющую собой отдельный узел в виде большой форсунки, подается чистый природный газ (или газовое топливо, еще не смешанное с воздухом) через ответвленный от основной газовой линейки газовый тракт. Электрическая свеча воспламеняет эту порцию газа, а пламя через отверстия форсунки, в свою очередь, - обедненную смесь в основной камере сгорания. Это позволяет добиться стехиометрического горения, благодаря чему увеличивается КПД двигателя и уменьшается износ от термических перегрузок соответствующих узлов двигателя. Следует сказать несколько слов о дизельно-газовых и газодизельных двигателях. В дизельно-газовых двигателях основным топливом является газовоздушная смесь, воспламеняемая путем вспрыскивания жидкого топлива (дизеля). Дизельное топливо, наоборот, воспламеняется от вталкиваемого через специальный вентиль под большим давлением (до 250 бар) газа. Газодизельные двигатели - это ультрабольшие, низкоходные, двухтактные двигатели мощностью до 68.000 кВт, но с очень высоким КПД - до 54%. Этот феномен объясняется высокой ламинарной скоростью горения газа. Газовое моторостроение непрерывно развивается. Выдвигаются все более строгие требования к прочности, заставляя инженеров искать новые пути решений в конструкции, применяемых сплавах и технологиях, тем самым увеличивая КПД, улучшая системы управления, снижая эмиссии и затраты на сервисное обслуживание. Журнал "Академия Энергетики ", №4/2007 |
|||||||
информация, касающаяся комплектаций, технических характеристик, а также стоимости электростанций носит информационный характер и не является публичной офертой |
