Введение
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 работе 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.
Развитие моторостроения
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 следующие преимущества:
высокий электрический КПД;
способность утилизировать проблемные газы - свалочный, шахтный, газ сточных вод, синтетический (пиролизный), коксовый и доменный;
экологическая чистота, безвредные для окружающей среды выхлопные газы;
низкие себестоимость произведенной электроэнергии и эксплуатационные затраты.
Праотцом всех современных двигателей внутреннего сгорания является газовый двигатель. Появление этого двигателя послужило базой для создания дизельных и бензиновых двигателей. Однако рассмотрим по порядку этапы эволюции ДВС.
Идея применять в ДВС принцип работы поршня принадлежит голландскому физику, механику, математику и астроному Христиану Гюйгенсу (1629-1695). В нашей стране он больше известен как основатель волновой теории света. В 1673 году ученый разработал и сконструировал небольшой грузоподъемный агрегат, использовавший в качестве силы тяги вакуум, который возникает от сгорания порохового заряда.
В состоянии покоя поршень находился в верхней, открытой части цилиндра и был соединен с помощью троса с грузом. На небольшом расстоянии снизу от поршня в корпусе цилиндра было сделано два поперечных отверстия, к которым крепились кожаные шланги, исполняющие роль выпускных клапанов. Пороховой запал производили в нижней части цилиндра, откуда отработавшие газы выходили через отверстия-шланги. Из-за резкой смены температур и последующего охлаждения в цилиндре образовывалось разряжение, которое с силой втягивало поршень вниз, а прикрепленный к нему груз, соответственно, - вверх.
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 газо-воздушной 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.
В 1884 году Н.А. Отто изобрел низковольтное магнитное зажигание, которое было перенято Робертом Бошем (1861-1942) и стало для него главным делом всей жизни.
В новогоднюю ночь 1879 года Карл Бенц (1844-1929) осуществил запуск двухтактного двигателя с устройством, известным сегодня во всем мире как кривошипно-шатунный механизм. Серийный выпуск двигателей начался в 1883 году, с основанием газомоторной фабрики Benz&Co. Rheinische Gasmotorenfabrik in Mannheim. К 1896 году производство достигло 3400 штук. Впоследствии это предприятие влилось в Motoren Werke Mannheim DeutzAG.
Свой первый двигатель Рудольф Дизель (1858-1913) построил в 1896 году на заводе MAN (Maschinenfabrik Augsburg Nurnberg), несмотря на безрезультатные попытки получить от Gasmotoren-Fabrik Deutz AG технологию «дизельного процесса». Подписание лицензионного договора между Gasmotoren-Fabrik Deutz AG, Maschinenfabrik Augsburg и Fried. Krupp о производстве дизельных двигателей стало возможным только после смерти Ойгена Лангена в 1897 году.
Дизельный патент заключал в себе не только описание наддува / впрыскивания угольной пыли и керосина, но и газа, в чем и состоит идея газодизельных моторов. Экспериментируя, Рудольф Дизель подмешивал к всасываемому воздуху светильный газ, а для воспламенения впрыскивал керосин. Таким образом, был получен первый прототип сегодняшнего дизельно-газового двигателя.
Уже к 1906 году в мире насчитывалось около 29 компаний, производивших большие стационарные ГД. СрединихMAN 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.
Многие предприятия были вынуждены перепрофилировать производства и выпускать газовые двигатели либо по спецзаказам, либо в зависимости от экономических условий на рынке. Так, например, во время второй мировой войны из-за дефицита горючего ГД снова начали пользоваться спросом. В качестве топлива тогда стали применяться все известные типы газов, но при этом был уменьшен коэффициент сжатия, что не замедлило сказаться на удельной стоимости ГПУ. В результате газовые двигатели существенно проигрывали дизельным (ДД). Поэтому неудивительно, что газовые моторы развивались медленно, в тени дизельных двигателей, без особых инвестиций и по сценарию переоснащения ДД в ГД.
Шв
Это открытие практически сразу стало применяться во всем моторостроении. В ГД оно успешно используется с начала 80-х годов прошлого столетия под названием «турбонаддув смеси».
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.
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:
усиление способности к длительной эксплуатации в автоматическом режиме;
увеличение интервалов между регламентными работами;
облегчение сервиса и возможность его выполнения силами обслуживающего персонала;
снижение стоимости на ТО.
Для многих производителей такие требования показались трудновыполнимыми, хотя процесс улучшения ГД находился в постоянном развитии.
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 газо-воздушная 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).
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 л= 1 (лямбда - отношение участвующего в горении воздуха к минимально требуемому для стехиометрического горения) и с использованием трехходового каталитического реактора. Регулирование подачи газо-воздушной смеси и применение катализатора в выхлопном тракте позже приобрело совершенно иной смысл. Подготовка топлива теперь должна была осуществляться с высокой точностью при л= 1, но с небольшим уклоном в сторону обогащения (то есть л=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-> (л= 1 - ), способная удерживать ее в необходимых пределах +2% и вышеупомянутый катализатор стали серийными элементами для всех двигателей мощностью свыше 500 кВт.
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 л.
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..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.
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.
Заключение
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.
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.
Список литературы
1.Барский И., Орлова Г. Газотурбинный двигатель. За ним ли будущее? - Наука и жизнь, 1984, №8, с. 56-63.
2.Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.
.Генкин К.И. Газовые двигатели. - М.: Машиностроение, 1977. - 196 с.
.Дикий Н.А., Бутаревич Ю.Ф. Перспективы улучшения энергетических и экологических характеристик автомобильных двигателей - Пром.теплотехника, 1984, №2, с. 92-102.
.Засс Ф. Бескомпрессорные двигатели дизеля со струйным смесеобразованием. - М.-Л.: ОНТИ, 1935. - 448 с.
.Мамедова М.Д. Работа дизеля на сжиженном газе. - М.: Машиностроение, 1980. - 149 с.
.Техническая энциклопедия. Т.6 / Под. ред. Л.К. Мартенса - М.: ОГИЗ. 1931. - 929 с.
.Топливная экономичность автомобилей с бензиновым двигателями /Т.У. Асмус, К. Боргнакке, С.К. Кларк и др.; Пер. ред. Д. Хилларда, Дж.С. Спрингера; Под с англ. А.М. Васильева; Под ред. А.В. Кострова. - М.: Машиностроение, 1988. - 504 с.