Plynový motor - Gas engine

Plynový motor pro výrobu elektrické energie

Model plynového motoru Hartop typu S.

Plynový motor je spalovací motor , který běží na plynné palivo, jako je svítiplyn , generátorový plyn , bioplyn , skládkový plyn nebo zemní plyn . Ve Spojeném království je tento termín jednoznačný. Ve Spojených státech může být kvůli rozšířenému používání „plynu“ jako zkratky pro benzín (benzín) takový motor nazýván také motorem na plynné palivo nebo motorem na zemní plyn nebo jiskrou.

Obecně v moderním použití termín plynový motor označuje těžký průmyslový motor schopný nepřetržitého chodu při plném zatížení po dobu blížící se vysokému podílu 8 760 hodin ročně, na rozdíl od benzínového automobilového motoru, který je lehký, má vysoké otáčky a obvykle běží ne více než 4 000 hodin za celý život. Typický výkon se pohybuje od 10 kW (13 k) do 4 MW (5 364 k).

Dějiny

Plynový motor Lenoir 1860.

Plynový motor Otto- Langen 1867.

Atmosférický motor Crossley o výkonu 3 bhp v akci v Anson Engine Museum.

Lenoir

V 19. století proběhlo mnoho experimentů s plynovými motory, ale první praktický spalovací motor poháněný plynem postavil belgický inženýr Étienne Lenoir v roce 1860. Motor Lenoir však trpěl nízkým výkonem a vysokou spotřebou paliva.

Otto a Langen

Lenoirovu práci dále zkoumal a vylepšoval německý inženýr Nicolaus August Otto , který později vynalezl první čtyřtaktní motor pro efektivní spalování paliva přímo v pístové komoře. V srpnu 1864 se Otto setkal s Eugenem Langenem, který byl technicky vyškolený, nahlédl do potenciálu vývoje Ottova a měsíc po setkání založil v Kolíně nad Rýnem první továrnu na motory NA Otto & Cie. V roce 1867 si Otto nechal vylepšený design patentovat a na světové výstavě v Paříži v roce 1867 mu byla udělena Velká cena. Tento atmosférický motor pracoval tak, že vtáhl směs plynu a vzduchu do svislého válce. Když se píst zvedne asi o osm palců, směs plynu a vzduchu je zapálena malým pilotním plamenem hořícím venku, který tlačí píst (který je spojen s ozubenou tyčí) směrem nahoru a vytváří pod ním částečné vakuum. Na zdvihu nahoru se nepracuje. Práce se provádí, když píst a ozubený hřeben klesají pod vlivem atmosférického tlaku a vlastní hmotnosti, přičemž při pádu otáčejí hlavní hřídel a setrvačníky. Jeho výhodou oproti stávajícímu parnímu stroji byla jeho schopnost spouštět a zastavovat na vyžádání, takže je ideální pro přerušované práce, jako je nakládání nebo vykládání člunů.

Čtyřtaktní motor

Atmosférický plynový motor byl zase nahrazen Ottovým čtyřtaktním motorem . Přechod na čtyřtaktní motory byl pozoruhodně rychlý, přičemž poslední atmosférické motory byly vyrobeny v roce 1877. Brzy následovaly motory na kapalná paliva využívající naftu (kolem roku 1898) nebo benzín (kolem roku 1900).

Crossley

Nejznámějším stavitelem plynových motorů ve Spojeném království byl Crossley z Manchesteru, který v roce 1869 získal Spojené království a světová (kromě německá) práva na patenty Otto a Langdena na nový atmosférický motor na plyn. V roce 1876 získali práva na efektivnější čtyřtaktní motor Otto.

Tangye

V oblasti Manchesteru sídlilo také několik dalších firem . Společnost Tangye Ltd. , ze Smethwicku, nedaleko Birminghamu, prodala v roce 1881 svůj první plynový motor, dvoudobý typ o nominální hodnotě 1 koňská síla , a v roce 1890 firma zahájila výrobu čtyřtaktního plynového motoru.

Zachování

Anson Engine Museum v Poynton , u Stockport , Anglie , má sbírku motorů, která zahrnuje několik pracovní plynových motorů, včetně největšího systémem Crossley atmosférickým motorem jaký byl kdy vyroben.

Současní výrobci

Mezi výrobce plynových motorů patří Hyundai Heavy Industries , Rolls-Royce s 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, Fairbanks-Morse , Doosan a Yanmar . Výkon se pohybuje od přibližně 10 kW (13 k) mikro kombinované výroby tepla a elektřiny (CHP) do 18 MW (24 000 k). Obecně lze říci, že moderní vysokorychlostní plynový motor je v závislosti na okolnostech velmi konkurenceschopný s plynovými turbínami až do výkonu přibližně 50 MW (67 000 k) a ty nejlepší jsou mnohem úspornější než plynové turbíny. Rolls-Royce s motory Bergen, Caterpillar a mnoha dalšími výrobci staví své výrobky na bloku a klikovém hřídeli dieselového motoru. GE Jenbacher a Waukesha jsou jediné dvě společnosti, jejichž motory jsou navrženy a určeny pouze pro plyn.

Typické aplikace

Stacionární

Typickými aplikacemi jsou základním zatížení schémata nebo vysokou hodin generace, včetně kombinované výrobě tepla a elektřiny (pro typické údaje výkonu vidět), skládkový plyn, důlní plyn, stejně hlavě- plynu a bioplynu , kde se odpadní teplo může být z motoru používaného ohřát digestory. Typické parametry instalace motoru na bioplyn viz. Parametry velkého kogeneračního systému s plynovým motorem instalovaného ve výrobním závodě viz. Plynové motory se zřídka používají pro pohotovostní aplikace, které zůstávají převážně provincií dieselových motorů. Výjimkou je malý nouzový generátor (<150 kW), který často instalují farmy, muzea, malé podniky a rezidence. Tyto generátory jsou napojeny buď na zemní plyn z veřejných služeb, nebo na propan z místních skladovacích nádrží, a mohou být uspořádány pro automatické spouštění při výpadku napájení.

Doprava

Motory na zkapalněný zemní plyn (LNG) expandují na námořní trh, protože plynový motor s nízkým spalováním může splňovat nové emisní požadavky bez dalších systémů úpravy paliva nebo čištění výfuků. Využívání motorů na stlačený zemní plyn (CNG) roste také v autobusovém sektoru. Mezi uživatele ve Velké Británii patří autobusy na čtení . Použití plynových autobusů podporuje Gas Bus Alliance a mezi výrobce patří Scania AB .

Použití plynného metanu nebo propanu

Vzhledem k tomu, že zemní plyn , zejména metan , je již dlouho čistým, ekonomickým a snadno dostupným palivem, je mnoho průmyslových motorů buď konstruováno nebo upraveno pro použití plynu, na rozdíl od benzínu . Jejich provoz produkuje méně komplexní uhlovodíkové znečištění a motory mají méně vnitřních problémů. Jedním z příkladů je zkapalněný ropný plyn , zejména propan . motor používaný ve velkém počtu vysokozdvižných vozíků. Běžné používání „plynu“ ve Spojených státech ve smyslu „benzinu“ vyžaduje výslovnou identifikaci motoru na zemní plyn. Existuje také něco jako „zemní benzín“, ale tento termín, který označuje podskupinu kapalin zemního plynu , je velmi zřídka pozorován mimo rafinérský průmysl.

Technické údaje

Míchání paliva a vzduchu

Plynový motor se od benzinového motoru liší ve způsobu míchání paliva a vzduchu. Benzínový motor používá karburátor nebo vstřikování paliva . ale plynový motor často používá jednoduchý Venturiho systém k zavedení plynu do proudu vzduchu. Rané plynové motory používaly tříventilový systém se samostatnými sacími ventily pro vzduch a plyn.

Výfukové ventily

Slabou stránkou plynového motoru ve srovnání s dieselovým motorem jsou výfukové ventily, protože výfukové plyny z plynového motoru jsou pro daný výkon mnohem teplejší, což omezuje výkon. Dieselový motor od daného výrobce tedy obvykle bude mít vyšší maximální výkon než stejný rozměr bloku motoru ve verzi s plynovým motorem. Dieselový motor bude mít ve Spojeném království obecně tři různá hodnocení-pohotovostní, primární a nepřetržitý, neboli 1hodinový, 12hodinový a nepřetržitý, zatímco plynový motor bude mít obecně pouze průběžné hodnocení, které bude méně než průběžné hodnocení Diesel.

Zapalování

Byly použity různé zapalovací systémy, včetně horkovzdušných zapalovačů a zážehového zapalování . Většina moderních plynových motorů jsou v zásadě dvoupalivové motory . Hlavním zdrojem energie je směs plynu a vzduchu, ale je zapálena vstřikováním malého objemu motorové nafty .

Energetická bilance

Tepelná účinnost

Plynové motory na zemní plyn mají obvykle tepelnou účinnost mezi 35–45% (na základě LHV ). Od roku 2018 mohou nejlepší motory dosáhnout tepelné účinnosti až 50% (na základě LHV). Tyto plynové motory jsou obvykle středně rychlé motory Bergen Motory Energie paliva vzniká na výstupním hřídeli, zbytek se jeví jako odpadní teplo. Velké motory jsou účinnější než malé motory. Plynové motory na bioplyn mají obvykle o něco nižší účinnost (~ 1–2%) a syngas účinnost ještě dále snižuje. Nedávný motor GE Jenbacher J624 je prvním vysoce účinným 24válcovým plynovým motorem na metan.

Při zvažování účinnosti motoru je třeba zvážit, zda je to založeno na nižší topné hodnotě (LHV) nebo vyšší topné hodnotě (HHV) plynu. Výrobci motorů budou obvykle uvádět účinnost na základě nižší topné hodnoty plynu, tj. Účinnosti poté, co byla energie odebrána k odpaření vnitřní vlhkosti uvnitř samotného plynu. Distribuční sítě plynu budou obvykle účtovat poplatky na základě vyšší topné hodnoty plynu. tj . celkový energetický obsah. Citovaná účinnost motoru na základě LHV může být řekněme 44%, zatímco stejný motor může mít účinnost 39,6% na základě HHV na zemní plyn. Je také důležité zajistit, aby srovnání účinnosti probíhalo obdobně. Například někteří výrobci mají mechanicky poháněná čerpadla, zatímco jiní používají elektricky poháněná čerpadla k pohonu chladicí vody motoru a elektrické využití může být někdy ignorováno, což dává falešně vysokou zjevnou účinnost ve srovnání s motory s přímým pohonem.

Kombinace tepla a energie

Odpadní teplo motoru lze použít k vytápění budovy nebo k ohřevu procesu. V motoru vzniká zhruba polovina odpadního tepla (z pláště motoru, okruhů chladiče oleje a dochlazovače) jako horká voda, která může mít teplotu až 110 ° C. Zbytek vzniká jako vysokoteplotní teplo, které může pomocí výměníku tepla z výfukových plynů vytvářet tlakovou horkou vodu nebo páru .

Chlazení motoru

Dva nejběžnější typy motorů jsou vzduchem chlazený motor nebo vodou chlazený motor. Vodou chlazené dnes používají ve spalovacím motoru nemrznoucí směs

Některé motory (vzduch nebo voda) mají přidaný chladič oleje.

K odstranění nadměrného tepla je nutné chlazení, protože přehřátí může způsobit poruchu motoru, obvykle opotřebením, prasknutím nebo deformací.

Vzorec spotřeby plynu

Vzorec ukazuje požadavek na průtok plynu plynového motoru v normálních podmínkách při plném zatížení.

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

kde:

${\ displaystyle Q}$ je tok plynu za normálních podmínek
${\ displaystyle {P}}$ je výkon motoru
${\ displaystyle {\ eta}}$ je mechanická účinnost
LHV je nízká topná hodnota plynu

Galerie historických plynových motorů

Historické plynové motory
1905 Běžný plynový motor národní společnosti o výkonu 36 koní
1903 Plynový motor Körting
Vztyčený plynový motor Backus
Otto horizontální plynový motor
Otto vertikální plynový motor
Plynový motor Westinghouse
Plynový motor a dynamo Crossley
Elektrárna Premier s dvojitým plynovým motorem
Plynový motor a dynamo o výkonu 125 k
Crossley Brothers Ltd., motor 1886 č. 1, 4,5litrový jednoválcový, 4taktní plynový motor, 160 ot./min.
1915 Crossley Gas Engine (typ GE130 No75590), 150 hp.
Národní plynový motor
Vysoce výkonný plynový motor zachycující tandem
Vysokopecní plynový motor s foukacím válcem
Plynový motor Stockport a řemenem poháněné dynamo