Gassmotor - Gas engine

Gassmotor for elektrisk kraftproduksjon

Modell av en S-type Hartop gassmotor

En gassmotor er en forbrenningsmotor som går på et gassformig drivstoff, for eksempel kullgass , produsentgass , biogass , deponigass eller naturgass . I Storbritannia er begrepet entydig. I USA , på grunn av den utbredte bruken av "gass" som en forkortelse for bensin (bensin), kan en slik motor også kalles en gassformet motor eller naturgassmotor eller gnist antent.

Generelt i moderne bruk refererer begrepet gassmotor til en kraftig industrimotor som er i stand til å kjøre kontinuerlig ved full belastning i perioder som nærmer seg en stor brøkdel på 8 760 timer per år, i motsetning til en bensinmotor, som er lett, høyreventiv og går vanligvis ikke mer enn 4000 timer i hele sitt liv. Typisk effekt varierer fra 10 kW (13 hk) til 4 MW (5.364 hk).

Historie

Lenoir gassmotor 1860.

Otto- Langen gassmotor 1867.

3 hk gassfyrt Crossley atmosfærisk motor i aksjon på Anson Engine Museum.

Lenoir

Det var mange eksperimenter med gassmotorer på 1800-tallet, men den første praktiske gassdrevne forbrenningsmotoren ble bygget av den belgiske ingeniøren Étienne Lenoir i 1860. Lenoir-motoren led imidlertid av lav effekt og høyt drivstofforbruk.

Otto og Langen

Lenoirs arbeid ble videre undersøkt og forbedret av en tysk ingeniør Nicolaus August Otto , som senere skulle finne opp den første firetaktsmotoren for effektivt å brenne drivstoff direkte i et stempelkammer. I august 1864 møtte Otto Eugen Langen som, da han var teknisk utdannet, fikk et glimt av potensialet i Ottos utvikling, og en måned etter møtet grunnla den første motorfabrikken i verden, NA Otto & Cie, i Köln. I 1867 patenterte Otto sin forbedrede design, og den ble tildelt hovedprisen på verdensutstillingen i Paris 1867. Denne atmosfæriske motoren fungerte ved å trekke en blanding av gass og luft inn i en vertikal sylinder. Når stemplet har steget omtrent 8 tommer, antennes gass- og luftblandingen av en liten pilotflamme som brenner utenfor, noe som tvinger stemplet (som er koblet til et tannstativ) oppover, og skaper et delvis vakuum under det. Det arbeides ikke med slag oppover. Arbeidet utføres når stempelet og tannstativet faller under påvirkning av atmosfæretrykk og egen vekt, og snur på hovedakselen og svinghjulene når de faller. Fordelen i forhold til den eksisterende dampmaskinen var evnen til å starte og stoppe etter behov, noe som gjør den ideell for periodisk arbeid som for eksempel lasting eller lossing av lektere.

Firetaktsmotor

Den atmosfæriske gassmotoren ble igjen erstattet av Ottos firetaktsmotor . Overgangen til firetaktsmotorer var bemerkelsesverdig rask, med de siste atmosfæriske motorene som ble laget i 1877. Væskedrevne motorer fulgte snart med Diesel (rundt 1898) eller bensin (rundt 1900).

Crossley

Den mest kjente byggherren av gassmotorer i Storbritannia var Crossley fra Manchester, som i 1869 kjøpte Storbritannia og verdens (unntatt tyske) rettigheter til patentene til Otto og Langden for den nye gassdrevne atmosfæriske motoren. I 1876 skaffet de seg rettighetene til den mer effektive Otto firetaktsmotoren.

Tangye

Det var også flere andre firmaer med base i Manchester -området. Tangye Ltd. , i Smethwick, nær Birmingham, solgte sin første gassmotor, en nominell to-syklusers hestekrefter , i 1881, og i 1890 begynte firmaet å produsere en firesyklet gassmotor.

Bevaring

Den Anson Engine Museum i Poynton , nær Stockport , England , har en samling av motorer som inkluderer flere arbeidsgassmotorer, inkludert den største kjører Crossley atmosfærisk motor noensinne laget.

Nåværende produsenter

Produsenter av gassmotorer inkluderer Hyundai Heavy Industries , Rolls-Royce med 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 og Yanmar . Effekten varierer fra omtrent 10 kW (13 hk) mikrovarme og kraft (CHP) til 18 MW (24 000 hk). Generelt er den moderne høyhastighets gassmotoren svært konkurransedyktig med gasturbiner på opptil 50 MW (67 000 hk) avhengig av omstendighetene, og de beste er mye mer drivstoffeffektive enn gasturbinene. Rolls-Royce med Bergen Engines, Caterpillar og mange andre produsenter baserer sine produkter på en dieselmotorblokk og veivaksel. GE Jenbacher og Waukesha er de eneste to selskapene hvis motorer er designet og dedikert til gass alene.

Typiske applikasjoner

Stasjonær

Typiske anvendelsesområder er grunnbelastning eller høy-timers generasjon ordninger, herunder kombinert varme og kraft (for typiske ytelse tall se), deponigass, miner gass, vel -Head gass og biogass , hvor spillvarmen fra motoren kan brukes til å varme fordøyerne. For typiske parametere for installasjon av biogassmotorer, se. For parametere for et stort gassmotor CHP -system, som montert på en fabrikk, se. Gassmotorer brukes sjelden til standby -applikasjoner, som stort sett forblir provinsen dieselmotorer. Et unntak fra dette er den lille (<150 kW) nødgeneratoren som ofte installeres av gårder, museer, små bedrifter og boliger. Disse generatorene er koblet til enten naturgass fra det offentlige eller propan fra lagertanker på stedet, og kan ordnes for automatisk start ved strømbrudd.

Transportere

Flytende naturgass (LNG) -motorer ekspanderer til det marine markedet, siden gassmotoren med magert brenning kan oppfylle de nye utslippskravene uten ekstra drivstoffbehandling eller eksosrenseanlegg. Bruk av motorer kjører på komprimert naturgass (CNG) vokser også i bussen sektoren. Brukere i Storbritannia inkluderer Reading Buses . Bruk av gassbusser støttes av Gas Bus Alliance og produsenter inkluderer Scania AB .

Bruk av gassformig metan eller propan

Siden naturgass , hovedsakelig metan , lenge har vært et rent, økonomisk og lett tilgjengelig drivstoff, er mange industrimotorer enten designet eller modifisert for å bruke gass, til forskjell fra bensin . Driften deres gir mindre kompleks hydrokarbonforurensning, og motorene har færre interne problemer. Et eksempel er flytende petroleumsgass , hovedsakelig propan . motor som brukes i stort antall gaffeltrucker . Vanlig bruk i USA av "gass" for å bety "bensin" krever eksplisitt identifisering av en naturgassmotor. Det er også noe som heter "naturlig bensin", men dette begrepet, som refererer til en delmengde av naturgassvæsker , blir svært sjelden observert utenfor raffineringsindustrien.

Tekniske detaljer

Drivstoff-luft-blanding

En gassmotor skiller seg fra en bensinmotor i måten drivstoff og luft blandes på. En bensinmotor bruker en forgasser eller drivstoffinnsprøytning . men en gassmotor bruker ofte et enkelt venturisystem for å introdusere gass i luftstrømmen. Tidlige gassmotorer brukte et tre-ventilssystem, med separate innløpsventiler for luft og gass.

Eksosventiler

Det svake punktet til en gassmotor sammenlignet med en dieselmotor er eksosventilene, siden gassmotorens avgasser er mye varmere for en gitt effekt, og dette begrenser effekten. Dermed vil en dieselmotor fra en gitt produsent vanligvis ha en høyere maksimal effekt enn den samme motorblokkstørrelsen i gassmotorversjonen. Dieselmotoren vil vanligvis ha tre forskjellige karakterer-standby, prime og kontinuerlig, aka 1-timers rating, 12-timers rating og kontinuerlig rating i Storbritannia, mens gassmotoren vanligvis bare vil ha en kontinuerlig rating, som vil være mindre enn Diesel kontinuerlig vurdering.

Tenning

Ulike tenningssystemer har blitt brukt, inkludert tenner med varme rør og gnisttenning . De fleste moderne gassmotorer er i hovedsak motorer med to drivstoff . Den viktigste energikilden er gass-luft-blandingen, men den antennes ved injeksjon av et lite volum diesel .

Energibalanse

Termisk effektivitet

Gassmotorer som går på naturgass har vanligvis en termisk effektivitet mellom 35-45% ( LHV- grunnlag). Fra og med 2018 kan de beste motorene oppnå en termisk effektivitet på opptil 50% (LHV-grunnlag). Disse gassmotorene er vanligvis mellomhastighetsmotorer Bergen Engines Drivstoffenergi oppstår ved utgående aksel, resten fremstår som spillvarme. Store motorer er mer effektive enn små motorer. Gassmotorer som kjører på biogass har vanligvis en litt lavere virkningsgrad (~ 1-2%), og syngass reduserer effektiviteten ytterligere. GE Jenbachers siste J624-motor er verdens første høyeffektive metandrevne 24-sylindrede gassmotor.

Når man vurderer motoreffektivitet, bør man vurdere om dette er basert på lavere oppvarmingsverdi (LHV) eller høyere oppvarmingsverdi (HHV) for gassen. Motorprodusenter vil vanligvis oppgi effektivitet basert på gassens lavere oppvarmingsverdi, dvs. effektiviteten etter at det er tatt energi for å fordampe den inneboende fuktigheten i selve gassen. Gassdistribusjonsnett vil vanligvis lade på grunnlag av gassens høyere oppvarmingsverdi. dvs. totalt energiinnhold. En sitert motoreffektivitet basert på LHV kan si 44%, mens den samme motoren kan ha en virkningsgrad på 39,6% basert på HHV på naturgass. Det er også viktig å sikre at effektivitetssammenligninger er på samme måte. For eksempel har noen produsenter mekanisk drevne pumper, mens andre bruker elektrisk drevne pumper for å drive motorkjølevann, og den elektriske bruken kan noen ganger ignoreres, noe som gir en falsk høy tilsynelatende effektivitet sammenlignet med motorene med direktedrift.

Kombinert varme og kraft

Motoravvisningsvarme kan brukes til oppvarming eller oppvarming av en prosess. I en motor oppstår omtrent halvparten av spillvarmen (fra motorkappen, oljekjøler og etterkjøler) som varmt vann, som kan være opptil 110 ° C. Det gjenværende oppstår som høy-temperatur varme som kan generere trykk varmt vann eller damp ved hjelp av en avgassvarmeveksler .

Motorkjøling

To mest vanlige motortyper er en luftkjølt motor eller vannkjølt motor. Vannkjølt bruker i dag frostvæske i forbrenningsmotoren

Noen motorer (luft eller vann) har en ekstra oljekjøler.

Kjøling er nødvendig for å fjerne overdreven varme, da overoppheting kan forårsake motorfeil, vanligvis på grunn av slitasje, sprekker eller vridning.

Gassforbruksformel

Formelen viser krav til gassmengde for en gassmotor under normforhold ved full belastning.

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

hvor:

${\ displaystyle Q}$ er gassstrømmen under normforhold
${\ displaystyle {P}}$ er motoreffekten
${\ displaystyle {\ eta}}$ er den mekaniske effektiviteten
LHV er gassens lave varmeverdi

Galleri over historiske gassmotorer

Historiske gassmotorer
1905 Nasjonalt selskap sin vanlige gassmotor på 36 hk
1903 Körting gassmotor
Backus oppreist gassmotor
Otto horisontal gassmotor
Otto vertikal gassmotor
Westinghouse gassmotor
Crossley gassmotor og dynamo
Premier dobbeltgassmotor elektrisk generasjonsanlegg
125 hk bensinmotor og dynamo
Crossley Brothers Ltd., 1886 nr. 1 motor, 4,5 hk enkeltsylindret, firetakts gassmotor, 160 o / min.
1915 Crossley gassmotor (type GE130 No75590), 150 hk.
Nasjonal gassmotor
Premier tandem rensende kraftig gassmotor
Masovn gassmotor med blåsesylinder
Stockport gassmotor og beltedrevet dynamo