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.