Швейцарский инженер Альфред Бюхи (1876-1959) в 1905 году при испытаниях ДД установил зависимость увеличения мощности двигателя от предварительной степени сжатия смеси, подаваемой в цилиндры. Сжатие топливовоздушной смеси должен был производить турбонагнетатель, турбина которого приводилась в работу за счет набегающего потока выхлопных газов.
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.