CZ298320B6

CZ298320B6 - Zarízení pro zvlhcování nasávaného nebo privádeného plynu, spalovací motor a motorové vozidlo

Info

Publication number: CZ298320B6
Application number: CZ20020426A
Authority: CZ
Inventors: Christopher Tonkin@Mark; Elden Schuchardt@Mark; Andrew Young@Mark
Original assignee: E. I. Du Pont De Nemours And Company; Design Technology And Irrigation Limited
Priority date: 1999-08-06
Filing date: 2000-08-03
Publication date: 2007-08-29
Also published as: CN1196852C; BR0013068B1; CN1641201A; CA2380134A1; MXPA02001247A; WO2001011216A3; US6511052B1; BR0013068A; WO2001011216A2; CN101187445A; RU2262614C2; US7611792B2; US20030025219A1; EP1200727A2; CN101187445B; AU6398100A; JP2003506656A; CZ2002426A3; CA2380134C; PL353638A1

Abstract

Zarízení (10) obsahuje hydrofilní membránu (18, 104, 108, 116, 118) s neporézním povrchem, pricemž cást hydrofilní membrány (18, 104, 108, 116, 118) je v kontaktu s vodou. Spalovací motor je opatren zarízením (10). Motorové vozidlo je opatreno uvedeným spalovacím motorem.

Description

Dr. Karel Čermák, Národní třída 32, Praha 1, 11000 (54) Název vynálezu:

Zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, spalovací motor a motorové vozidlo (57) Anotace:

Zařízení (10) obsahuje hydrofilní membránu (18, 104, 108, 116, 118) s neporézním povrchem, přičemž část hydrofilní membrány (18, 104, 108, 116, 118) je v kontaktu s vodou. Spalovací motor je opatřen zařízením (10). Motorové vozidlo je opatřeno uvedeným spalovacím motorem.

K «Otírému rA&obráku

Zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, spalovací motor a motorové vozidlo

Oblast techniky

Vynález se týká zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, a to zejména, nikoliv však výlučně, pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného vzduchu u motoru s vnitřním spalováním, nebo pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu pro palivový článek.

Vynález se rovněž týká spalovacího motoru opatřeného zařízením pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu a motorového vozidla s takovým spalovacím motorem.

Dosavadní stav techniky

V systémech pro přeměnu energie obecně se pro získání energie spojuje palivo a oxidant.

V tomto procesu se chemická energie přeměňuje na kinetickou energii nebo elektřinu a teplo.

V motorech s vnitřním spalováním, zahrnujících například dvoutaktní, čtyřtaktní, rotační a dieselové motory, se spalují směsi paliva a vzduchu pro získání chemické energie.

Před spalováním se musí palivo rozptýlit v proudu nasávaného vzduchu pomocí přímého vstřikování nebo v karburátoru, přičemž samotné spalování může být spouštěno elektrickou jiskrou, žhaveným drátkem nebo jednoduše kompresním teplem směsi paliva se vzduchem. Ve všech motorech s vnitřním spalováním potom náhlý nárůst tlaku, vyvolaný spalováním směsi paliva se vzduchem, uvádí do pohybu součásti motoru, a propůjčuje tak kinetickou energii poháněnému vozidlu.

Účinnost, s jakou se chemická energie přeměňuje na využitelnou kinetickou energii nebo elektřinu, se řídí mnoha faktory, které minimalizují neproduktivní teplo, které je vždy souběžně produkováno. Klíčové proměnné pro maximalizaci účinnosti motoru s nitřním spalováním zahrnují maximalizaci tlaku, vytvářeného v průběhu spalovacího procesu, a minimalizaci teplot nasávaného vzduchu a spalovací komory. Chladněji spalující motor poskytuje také ekologickou výhodu snížení množství oxidů dusíku, emitovaných jako vedlejší produkt reakcí atmosférického dusíku s kyslíkem v průběhu spalovacího procesu.

Kromě paliva a vzduchu mohou být do spalovací komory zaváděny chemické inertní materiály pro absorbování tepla a vytváření tlaku, čímž se dosahuje obou výše uvedených požadavků pro optimalizaci účinnosti motoru. Zejména může být pro dosažení tohoto účinku použita voda.

V automobilovém průmyslu je známo například používat pro válce motoru selektivní systém chlazení vstřikováním vody. Složitost tohoto systému a vysoké náklady na jeho uplatnění však mohou převážit přínosy, získané při provádění způsobu ve velkém měřítku. Systém vstřikování vody do válců motoru dosud vyžadoval zdroj energie, přesné řízení a vysoké provozní tlaky, přičemž každý z těchto požadavků sám představuje značné omezení potenciální realizace.

Jiné systémy sání nebo přivádění plynu, ve kterých je vhodné zvlhčování, zahrnují palivové články, zejména protonměničové membrány (PEM), ve kterých plyny konstantně procházejí přes membránu, která pro optimální provoz musí být udržována vlhká. V souvislosti s předmětem tohoto vynálezu může být rovněž uvažováno zvlhčování cirkulujícího vzduchu ve sklenících.

Podstata vynálezu

Podle prvního aspektu tohoto vynálezu je uspořádáno zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, obsahující hydrofilní membránu s neporézním povrchem.

Zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu s výhodou dále obsahuje vodní nádrž, vytvořenou integrálně s hydrofilní membránou s neporézním povrchem.

Podle dalšího aspektu tohoto vynálezu byl vyvinut motor, obsahující zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, mající hydrofilně membránu s neporézním povrchem.

Motor s výhodou dále zahrnuje vodní nádrž, integrálně spojenou s hydrofilní membránou s neporézním povrchem.

Podle dalšího aspektu tohoto vynálezu bylo vyvinuto motorové vozidlo, obsahující zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, mající hydrofilní membránu s neporézním povrchem.

Motorové vozidlo s výhodou dále zahrnuje vodní nádrž, integrálně spojenou s hydrofilní membránou s neporézním povrchem.

Výfukový systém motoru odvádí výfukové plyny z procesu vnitřního spalování, a tyto výfukové plyny mohou být využity v teplosměnné spirále pro ohřev vody, obsažené ve vodní nádrži.

Podle dalšího provedení motorové vozidlo dále zahrnuje palivovou nádrž, mající hydrofilní membránu s neporézním povrchem, skrze který se odpařuje vodní pára, a kanál, nacházející se vedle hydrofilní membrány, spojený s vodní nádrží, přičemž tento kanál je opatřen buď kondenzačním lapačem pro vodní páru, odpařenou přes membránu z palivové nádrže, a je připojen k vodní nádrži, nebo prostředky pro vedení vodní páry, uvolňované hydrofilní membránou přímo do proudu vstupujícího vzduchu. Použití membrány pro odpouštění vody z palivové nádrže však může být realizováno také nezávisle ve zvláštním systému.

Vynález s výhodou umožňuje selektivní přidávání vodní páry do systému sání vzduchu, například v automobilovém motoru, které je dosaženo snadno v podmínkách jednoduchosti mechaniky a řízení a s poměrně nízkými, ne-li zanedbatelnými, náklady. Použití zařízení podle tohoto vynálezu je skutečně velmi žádoucí, neboť omezuje emise z automobilových a podobných motorů, přičemž také zlepšuje účinnost a výkon těchto motorů.

Podle dalšího aspektu tohoto vynálezu byl vyvinut palivový článek, obsahující zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, mající hydrofilní membránu s neporézním povrchem.

Vynález s výhodou umožňuje přidávání vodní páry do jednoho nebo více proudů plynu palivového článku, zejména v palivových článcích s protonměničovou membránou, což chrání protonměničovou membránu před vyschnutím a optimalizuje tak provoz palivového článku.

U zařízení podle tohoto vynálezu je možno použít normální vodovodní vodu nebo vodu z jiných zdrojů (místo drahé destilované vody), neboť hydrofilní membrána odstraňuje korozivní a poškozující nečistoty. Konstantní přivádění vodní páry do systému sání vzduchu motoru rovněž odstraňuje všechny problémy, související s nemísitelností vody a automobilních paliv, a také korozní problémy, související s přítomností kapalné vody, přičemž konstantní přivádění vodní páry do jednoho nebo více plynů palivového článku optimalizuje jeho provoz zabráněním vyschnutí protonměničové membrány.

-2CZ 298320 B6

Takže v souladu s předmětem tohoto vynálezu bylo vyvinuto zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, které obsahuje hydrofilní membránu s neporézním povrchem, přičemž část hydrofilní membrány je v kontaktu s vodou.

Zařízení podle tohoto vynálezu dále s výhodou obsahuje vodní nádrž, vytvořenou integrálně s hydrofilní membránou s neporézním povrchem.

Zařízení podle tohoto vynálezu rovněž dále s výhodou obsahuje kryt pro regulaci plochy hydrofilní membrány s neporézním povrchem, zasahující do vodní nádrže nebo do zařízení.

V souladu s dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu byl dále rovněž vyvinut spalovací motor, který je opatřen shora uvedeným zařízením pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu.

Motor podle tohoto vynálezu dále s výhodou obsahuje výfukový systém pro odvádění výfukových plynů, přičemž vodní nádrž obsahuje teplosměnnou spirálu, volitelně připojenou pro přijímání výfukových plynů.

Motor podle tohoto vynálezu dále rovněž s výhodou obsahuje teplotní čidlo, připojené k průtokovému regulátoru pro regulaci proudění výfukových plynů teplosměnnou spirálou.

V souladu s ještě dalším aspektem předmětu tohoto vynálezu bylo dále rovněž vyvinuto motorové vozidlo, které je opatřeno shora uvedeným spalovacím motorem.

Motorové vozidlo podle tohoto vynálezu je dále s výhodou opatřeno palivovou nádrží, obsahující hydrofilní membránu, jejíž část je v kontaktu s vodou.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude v dalším podrobněji objasněn na příkladech jeho konkrétního provedení, jejichž popis bude podán s přihlédnutím k přiloženým obrázkům výkresů, kde:

obr. 1 znázorňuje schéma výhodného provedení zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu podle tohoto vynálezu, kde je předmětné zařízení znázorněno v souvislosti s motorem motorového vozidla;

obr. 2 znázorňuje schéma výhodného provedení zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu podle tohoto vynálezu, znázorněného v souvislosti s palivovým článkem s protonměničovou membránou;

obr. 3 znázorňuje schéma palivového článku s protonměničovou membránou podle obr. 2, zahrnujícího další zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu.

Příklady provedení vynálezu

Bylo zjištěno, že motory vozidel například vyvíjejí větší výkon při nominálních otáčkách při ranní mlze, přičemž toto zvýšení je důsledkem vlhkosti ve vzduchu. Vynález vychází ze zjištění, že existují skutečně významné výhody a přínosy například ze vstřikování vody (ve formě vodní páiy) do válců motoru. Například omezené množství vodní páry ve válci v průběhu procesu stlačení a zapálení vede ke zvýšení kompresního poměru, aniž by vznikal škodlivý efekt „zvonění“ nebo „klepání“.

Pokud se týká celkového spalovacího procesu ve válci, vodní pára čistí spalovací komoru a zlepšuje spalování paliva (změnami hustoty páry a tepelné kapacity směsi paliva se vzduchem), což vede ke snížení emisí. Přítomnost vodní páry ve spalovací komoře má navíc chladicí účinek, který chladí spalování. Jinými slovy, vysoké výpamé teplo vody zapříčiňuje, že motor běží chladněji, což umožňuje efektivnější funkci maziva. Při obsahu vodní páry ve válcích také lze pozorovat zlepšení spotřeby paliva.

Na obr. 1 je znázorněno schéma zařízení 10 pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu podle výhodného provedení tohoto vynálezu.

Zařízení 10 pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu je ve skutečnosti znázorněno v souvislosti s motorem 12 motorového vozidla 14 nebo podobně, přičemž však toto zařízení 10 pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu může být stejně dobře využito v jakémkoliv jiném systému, vyžadujícím zvýšení vlhkosti.

Vstupní rozvodné potrubí 16 vzduchu, zpravidla umístěné za vzduchovým filtrem (neznázoměným), obsahuje hydrofilní membránu 18 s neporézním povrchem, kteiý odděluje vodní nádrž 20 od vstupního rozvodného potrubí 16 vzduchu. Vstupní rozvodné potrubí 16 je spojeno s karburátorem 21, obsahujícím vstup 22 paliva, zahrnující konvenční jehlový ventil 24 (karburátor samozřejmě může být nahrazen jakýmkoliv obvyklým systémem přivádění paliva, například vstřikovacím systémem paliva nebo podobně).

Hydrofilní membrána 18 s neporézním povrchem může být obklopena škrticím prvkem či krytem 26, který reguluje plochu hydrofilní membrány 18 s neporézním povrchem, vystavenou buď vstupnímu rozvodnému potrubí 16 vzduchu, nebo vodní nádrži 20. Škrticí prvek či kryt 26 může být mechanicky řízen, avšak ve spojení s motorem 12 vozidla 14 je vhodnější regulace mikroprocesorem 28.

Jak bylo výše popsáno, karburátor 21 zahrnuje Venturiho trubici 30. která zvyšuje rychlost vzduchu a podporuje odpařování uhlovodíkového paliva z přívodu 22 paliva. Směs 32 paliva se vzduchem je pak přiváděna do vstupních ventilů 34 a 36 v hlavách válců 38 a 40 bloku 42 motoru 12. Pro účely jednoduchosti je na obr. 1 příkladně znázorněn dvouválcový motor.

Vodní nádrž 20 samozřejmě může být vzdálena od hydrofilní membrány, přičemž přívod vody na povrch hydrofilní membrány 18 může být realizován pouze napájecím potrubím, vzdáleným od vstupního potrubí 16 vzduchu.

Povrch hydrofilní membrány 18 může být jakéhokoliv požadovaného tvaru, přičemž může být vlnitý nebo plochý, s tvarem přispívajícím k maximálnímu prosazení páry, odpařující se přes hydrofilní membránu 18 z vodní nádrže 20. Je zřejmé, že obecně určuje rychlost odpařování přes membránu 18 rychlost, jakou je vodní pára odstraňována z povrchu membrány 18 (a gradient tlaku páry napříč membránou 18). Dokonce i když motor 12 nepracuje, nastává určité odpařování přes membránu 18, avšak je zanedbatelné a nemá účinek vzhledem ktomu, že se vzduch v systému sání vzduchu nepohybuje, a zbytková vlhkost zůstává v tomto otevřeném systému.

V závislosti na různých stupních činnosti válců 38 a 40 (sání, komprese, expanze a výfuk) se otevírají výfukové ventily 44 a 46, spojené s každým válcem 38 a 40 pro vypuzení výfukových plynů 48 (s určitým malým množstvím nespáleného paliva) do výfukového systému 50 motorového vozidla 14. Výfukový systém 50 volitelně může být zaveden do teplosměnné spirály 52, nacházející se ve vodní nádrži 20, jejíž pomocí se zvyšuje teplota vody ve vodní nádrži 20. To je výhodné ze dvou důvodů, předně jsou výfukové plyny 48 odevzdávány relativně chladnější (a tedy méně ekologicky škodlivé), a za druhé zvýšená teplota vody zvyšuje rychlost procesu odpařování přes hydrofilní membránu 18 s neporézním povrchem. Jakmile výfukové plyny 48 projdou skrze teplosměnnou spirálu 52, jsou vypouštěny z motorového vozidla 14 (například po dalším čištění v katalyzátorovém konvertoru) prostřednictvím výfukového potrubí.

-4CZ 298320 B6

Protože teplota vody ve vodní nádrži 20 by měla být omezena na specifické pracovní rozmezí, teploměr 54 (nebo podobné ústrojí) předává hodnotu teploty mikroprocesoru 28, který pak může regulovat ohřev vody otevíráním a uzavíráním ventilu a obtokového systému 56. Alternativně nebo navíc může být teplota vody ve vodní nádrži 20 nastavena pomocí obvyklého topného zařízení, například pomocí mikroprocesorem řízené topné spirály. Jestliže má být ve vodní nádrži 20 dosažena vysoká teplota (např. 60 °C nebo vyšší), může být nezbytné uspořádat pro hydrofilní membránu 18 s neporézním povrchem opěrnou strukturu, neboť jestliže není membrána 18 podepřena, může v závislosti na zvoleném materiálu hydrofilní membrány 18 změknout nebo se může deformovat.

Za provozu prochází vodní pára skrze hydrofilní membránu 18 s neporézním povrchem a vstupuje do proudu vstupujícího vzduchu. Jestliže motor 12 běží rychleji, což vyžaduje zvýšenou rychlost pohybu pístu v každém válci 38, 40, tak v souladu s tím narůstá množství vodní páry, odebrané z povrchu membrány 18, tj. tento systém je samoregulující v závislosti na požadavku nasávání vzduchu, ačkoliv škrticí prvek či kryt 26 může dále regulovat množství vodní páry, dodávané z vodní nádrže 20.

Vodní nádrž 20 je s výhodou umístěna v motoru 12 v takové poloze, aby když nastane proražení hydrofilní membrány 18, voda v ní umístěná nevstupovala do motoru 12. V této situaci je nevyhnutelná ztráta účinnosti motoru 12 (stejná jako když je vodní nádrž 20 za provozu prázdná), avšak nenastane poškození motoru 12. Jestliže hladina vody ve vodní nádrži 20 příliš poklesne, mikroprocesor 28 může upozornit řidiče.

Další aspekt, který může být realizován či může fungovat nezávisle na zařízení 10 podle obr. 1, představuje odstraňování vody z palivové nádrže 60, která zásobuje karburátor 21. Palivová nádrž 60 zahrnuje hydrofilní membránu 62 s neporézním povrchem, která je s výhodou umístěna na dně 64 palivové nádrže 60. Protože uhlovodíkové palivo je lehčí než voda, vyloučí se veškerá voda, přítomná v palivové nádrži 60 z palivové nádrže 60 prostřednictvím odpařování přes membránu 62.

Vodní pára, procházející skrze membránu 62, se může dostávat přímo zpět do proudu vstupu vzduchu, buď čerpáním, nebo tím, že je palivová nádrž 60 umístěna tak, že membrána 62 dodává vodu, odpařenou přes membránu 62 přímo do vstupního rozvodného potrubí 16 vzduchu.

Alternativně může být vodní pára kondenzována na kapalnou vodu 65 a shromažďována ve vstupním rozvodném potrubí 16, spojeném s vodní nádrží 20 prostřednictvím čerpadla. Tento systém je zvláště vhodný v souvislosti s dieselovými motory, zejména pro námořní účely, kde jsou nechráněné dieselové motory jinak náchylné k poruchám, jestliže voda vnikne do palivové nádrže 60 a zmrzne. U tohoto provedení vynálezu je samozřejmě nezbytné pečlivě volit materiál, z něhož je hydrofilní membrána 62 konstruována, aby se její struktura nepoškodila dlouhodobým stykem s palivem a aby přes membránový povrch neprocházelo v podstatě žádné nebo alespoň ne významné množství paliva nebo jeho složek do proudu nasávaného vzduchu nebo do vodní nádrže 20.

Hydrofilní membrána 18 tedy slouží k prostorovému oddělení kapalné vody (včetně vodovodní vody a jiných druhů znečištěné vody, obsahující organické nebo anorganické soli, suspenzí nebo emulzí) od objemu vzduchu, nasávaného do motoru 12 s vnitřním spalováním nebo podobně. Hydrofilní membrána 18 funguje jako filtr této kapalné vody tak, že skrze tuto hydrofilní membránu 18 se odpaří jen čistá vodná pára. Tato čistá vodní páraje pak kontinuálně dodávána do systému sání vzduchu motoru. Množství čisté vodní páry, dodávané do systému sání vzduchuje samoregulující, přičemž je jí dodáváno více, když se proud vzduchu pohybuje kolem hydrofilní membrány 18 rychleji.

-5CZ 298320 B6

Podle dalšího provedení vynálezu byl vyvinut palivový článek 100, zahrnující zařízení 10 pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, obsahující hydrofilní membránu 108, 104 zvláště palivový článek s protonměničovou membránou.

Palivové články s protonměničovými membránami fungují tak, že spojují vodík s atmosférickým nebo čistým kyslíkem za pomoci katalyzátoru, přičemž generují využitelnou elektřinu a vodu jako vedlejší produkt přes protonměničovou membránu a katalyzátor. Vodík účinkuje jako anoda a atmosférický nebo čistý kyslík jako katoda. Nosič proudu, který proudí přes protonměničovou membránu pro proces vyvíjení elektřiny, tvoří protony. Pro efektivní funkci musí být protonměničová membrána udržována vlhká, protože pro transport protonů (spíše H₃O⁺, než H⁺) přes membránu, a tím vyvíjení proudu, je potřebná voda. Čím vyšší je relativní vlhkost plynů nasávaných do palivového článku, tím vyšší je účinnost tohoto zařízení pro přeměnu energie při výrobě elektřiny.

Zvlhčení protonměničové membrány se dosahuje zvlčením nasávaného proudu plynného vodíku, volitelně také zvlhčením nasávaného proudu vzduchu nebo plynného kyslíku. Zvlhčování nasávaných proudů vodíku a vzduchu nebo kyslíku je možno provádět recirkulací vody, vyvíjené jako vedlejší produkt činnosti palivového článku, neboje možno použít samostatně přídavnou vodu.

Plynný vodík je zpravidla dostupný ve stlačené formě v tlakových lahvích a obsahuje velmi málo vlhkosti. Také vzduch nebo kyslík, použitý jako druhý nasávaný proud plynu, může vyžadovat zvlhčení, a to v závislosti na jeho původním obsahu vzduchu. Jak se pro vyvíjení většího množství elektřiny zvyšuje sání plynných proudů vodíku a vzduchu nebo kyslíku, stává se zvlhčování zejména vodíku stále obtížnějším, což vede ke snížení účinnosti palivového článku při vyšší hustotě energie.

Dosavadní způsoby zvlhčování nasávaných proudů plynu používají drahé membránové materiály a jsou složité, takže existuje kritická potřeba účinného zvlhčovacího systému s nízkými náklady.

Další provedení vynálezu tedy spočívá ve využití hydrofilních membrán k oddělování nasávaných suchých plynných proudů, totiž vodíku a kyslíku nebo vzduchu, od vlhkého o kyslík ochuzeného výfukového proudu plynu, takže voda může procházet skrze hydrofilní membránu z vlhkého výfukového vzduchu do suchého nasávaného proudu vodíku a vzduchu nebo kyslíku. Samoregulující funkce hydrofilní membrány umožňuje, aby se více vody odpařilo přes membránu, když je větší průtok plynu, což je právě to, co je třeba.

Obr. 2 představuje schéma palivového článku 100, kde je suchý proud 102 plynného vodíku zvlhčován uvedením do styku s hydrofilní membránou 104, která je svou druhou stranou ve styku s vlhkým výfukovým vzduchem J_06. Voda se tedy odpařuje přes hydrofilní membránu 104 a zvlhčuje proud 102 plynného vodíku předtím, než vstoupí do palivového článku 100.

Volitelně může být použita přídavná hydrofilní membrána 108, oddělující proud 102 plynného vodíku od vodní nádrže 110, naplněné kapalnou vodou 112. Jestliže vlhkost proudu výfukového vzduchu není dostatečná pro zvlhčení proudu plynného vodíku, může být pomocí tohoto volitelného přídavného uspořádání poskytnuto odpařováním přes hydrofilní membránu 108 více vody.

Obr. 3 znázorňuje další provedení palivového článku 100 podle tohoto vynálezu, kde se nejen zvlhčuje proud 102 suchého plynného vodíku, ale také proud 114 vzduchu nebo kyslíkového plynu. Obdobným způsobem jako je zvlhčován proud 102 plynného vodíku, je proud vzduchu nebo plynného kyslíku ve styku s vlhkým výfukovým vzduchem 106. Voda prochází přes hydrofilní membránu 116 a zvlhčuje proud 114 vzduchu nebo plynného kyslíku předtím, než vstoupí do palivového článku 100.

Jak je znázorněno na obr. 3, volitelně může být použita přídavná hydrofilní membrána 118, oddělující proud 114 vzduchu nebo plynného kyslíku od vodní nádrže 120, naplněné kapalnou vodou 122. Jestliže vlhkost proudu výfukového vzduchu není dostatečná pro zvlhčení proudu 114 vzduchu nebo plynného kyslíku, může být pomocí tohoto volitelného přídavného uspořádání poskytnuto odpařováním přes hydrofilní membránu 118 více vody.

Množství vody, uvolněné z volitelné přídavné hydrofilní membrány 108 nebo 118, může volitelně být řízeno například ohřevem vody v připojených vodních nádrží 110 a 120 nebo prostřednictvím krytu, uspořádaného pro regulaci plochy povrchu hydrofilní membrány 108 nebo 118, vystavené nasávaným proudům vodíku, kyslíku nebo vzduchu.

Hydrofilní membrány 18, 104, 108, 116, 118 volitelně, podle vytvoření vynálezu, mohou být tvarovány pro zajištění maximální plochy povrchu ve styku s nasávaným plynem v minimálním prostoru (například mohou mít žlábkovaný nebo svinutý tvar).

V souvislosti s popsaným uspořádáním, hydrofilní membrány pro využití zařízení 10 pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu podle tohoto vynálezu mohou být vyrobeny z hydrofilního polymeru. Termín „hydrofilní polymer“ znamená polymer, který ve styku s kapalnou vodou při pokojové teplotě absorbuje vodu, podle normy ISO 62 (ekvivalentní normě ASTM D 570).

Hydrofilním polymerem může být jeden polymer nebo směs několika polymerů. Hydrofilním polymerem může být například kopolyesterový elastomer nebo směs dvou nebo více kopolyesterových elastomerů, jako například polymery, dostupné od firmy E.I. duPont de Nemours and Company pod obchodním názvem HYTREL®.

Alternativně může hydrofilním polymerem být polyéterový blokový polyamid nebo směs dvou nebo více polyéterových blokových polyamidů, jako jsou polymery od firmy Elf-Atochem Company of Paris, Francie, dostupné pod obchodním názvem PEBAX™.

Jiné hydrofilní polymery zahrnují polyéteruretany nebo jejich směsi, homopolymery nebo kopolymery polyvinylalkoholu a jejich směsi.

Výše uvedený seznam není vyčerpávající, avšak pouze příkladně možný výběr hydrofilních polymerů.

Zvláště výhodným polymerem pro přenos vodní páry podle vynálezu je kopolyéteresterový elastomer nebo směs dvou nebo více kopolyéteresterových elastomerů, mající množinu opakujících se esterových jednotek s dlouhým řetězcem a esterových jednotek s krátkým řetězcem, spojených esterovými vazbami, přičemž uvedené esterové jednotky s dlouhým řetězcem odpovídají vzorci

O0

IIII

-OGO-C-R-Ca esterové jednotky s krátkým řetězcem odpovídají vzorci

OO

IIII

-ODO-C-R-Ckde

G - je dvouvazný radikál, zbývající po odstranění koncových hydroxylových skupin z poly(alkylénoxid)glykolu, mající průměrnou molekulovou hmotnost od 400 do 4000;

(I) (II)

-ΊCZ 298320 B6

R- je dvouvazný radikál, zbývající po odstranění karboxylových skupin z dikarboxylové kyseliny, mající molekulovou hmotnost menší, než 300;

D - je dvouvazný radikál, zbývající po odstranění hydroxylových skupin z diolu, mající molekulovou hmotnost menší, než 250; přičemž volitelně kopolyéterester obsahuje až 68 % hmotnostních, vztaženo na celkovou hmotnost kopolyéteresteru, etylénoxidových skupin, zabudovaných v esterových jednotkách s dlouhým řetězcem v kopolyéteresteru;

kopolyéterester obsahuje od 25 do 80 % hmotnostních esterových jednotek s krátkým řetězcem.

Výhodný polymerní film je vhodný pro zabudování do tenkých avšak pevných membrán, fólií a povlaků. Výhodné polymery, kopolyéteresterové elastomery a způsoby jejich výroby jsou v oboru známy, přičemž jsou popsány například v patentovém spise US 4 725 481 pro kopolyéteresterový elastomer s rychlostí prostupu vodní páry (WVTR) 3500 g/m²/24 h, nebo v patentovém spise US 4 769 273 pro kopolyéteresterový elastomer s rychlostí prostupu vodní páry (WVTR) od 400 do 2500 g/m²/24 h.

Použití komerčně dostupných polymerů jako membrán je v kontextu předloženého vynálezu možné, nicméně je výhodné, aby měly co nejvyšší rychlost prostupu vodní páry (WVTR) pro minimalizaci plochy povrchu hydrofilní membrány, nezbytné pro zajištění daného množství vody v sání plynu. Předložený vynález nej výhodněji používá komerčně dostupné membrány, které poskytují rychlost prostupu vodní páry (WVTR) vyšší, než 3500 g/m²/24 h, měřeno na fólii o tloušťce 25 pm za použití vzduchu při teplotě 23 °C a relativní vlhkosti 50 % při rychlosti 3 m/s.

Polymer může obsahovat antioxidační stabilizátory, ultrafialové stabilizátory, stabilizátory hydrolýzy, barviva, pigmenty, plnidla, antimikrobiální přísady a podobně.

Vhodnou a zavedenou cestou pro výrobu membrán ve formě fólií je vytlačování taveniny polymeru v obvyklé extruzní lince. To zhruba znamená zahřívání polymeru na teplotu nad jeho teplotou tavení a vytlačování skrze plochou nebo prstencovou formu, a poté odlévání fólie za použití soustavy válců nebo vyfukování fólie z taveniny. V konstrukci membrány může být použit podpěrný materiál, který může zahrnovat tkané, netkané nebo vázané papíry, tkaniny nebo síta, a anorganické polymery, stálé vůči vlhkosti, například polyetylén, polypropylén, skelná vlákna a podobně. Podpěrný materiál zvyšuje pevnost a chrání membránu. Podpěrný materiál může být umístěn jen na jedné straně hydrofilní membrány, nebo na obou jejích stranách. Jestliže je podpěrný materiál umístěn jen na jedné straně hydrofilní membrány, nebo na obou jejích stranách. Jestliže je podpěrný materiál umístěn jen na jedné straně, může být ve styku s vodou nebo na opačné straně.

Bez ohledu na nějakou konkrétní teorii se předpokládá, že čisticí účinek hydrofilní membrány, vytvořené buď ve formě povlaku, nebo ve formě nepodepřené membrány, která je ve styku s vodou, obsahující rozptýlené nebo rozpuštěné nečistoty, pevné látky a emulze, nastává proto, že výrazně dipolámí molekuly, jako je voda, jsou absorbovány a přepravovány přes membránu nebo povlak přednostně před ionty, například sodnými a chloridovými. Když navíc existuje gradient tlaku páry napříč membránou, je voda uvolňována na straně, která není ve styku se zdrojem vody.

Pokud jde o hydrofilní membrány, použité ve výhodných provedeních tohoto vynálezu, charakteristiky prostupu vody se obecně stanovují za použití standardního zkušebního postupu ASTM E95-95 - postup BW (dříve známého jako zkušební postup ASTM E96-66 - postup BW). Tento zkušební postup se používá pro stanovení rychlosti prostupu vodní páry (WVTR) membránou, a využívá uspořádání s pro vodu nepropustným pohárkem (tzv. Thwing-Albertova vapometru). Pro vodu nepropustný pohárek obsahuje vodu s hladinou asi devatenáct milimetrů pod horním okra-8 jem pohárku (konkrétně 19 ± 6 mm). Otvor pohárku je vodotěsně uzavřen pro vodu prostupnou membránou z testovaného materiálu, která má být zkoušena, s ponecháním vzduchové mezery mezi vodní hladinou a membránou. Při postupu BW se pak pohárek obrátí, takže voda je v přímém styku s testovanou membránou. Zařízení se umístí v testovací komoře při řízené teplotě a vlhkosti, a přes vnější stranu membrány se dmýchá vzduch stanovenou rychlostí. Pokusy se provádějí dvakrát. Hmotnost sestavy pohárku, vody a membrány se měří v průběhu několika dní a výsledky se průměrují. Rychlost, jakou vodní pára prochází skrze membránu, označovaná jako „rychlost prostupu vodní páry“, je měřena jako průměrný úbytek hmotnosti této sestavy při dané tloušťce membrány, teplotě, vlhkosti a rychlosti vzduchu, a vyjadřuje se jako úbytek hmotnosti na jednotku plochy povrchu membrány za jednotku času. Rychlost prostupu vodní páry (WVTR) membrán nebo filmů podle ASTM E96-95 - postup BW se zpravidla měří na fólii o tloušťce 25 pm a rychlostí proudění vzduchu 3 m/s, při teplotě vzduchu 23 °C a relativní vlhkosti 50 %.

Je třeba poznamenat, že výše uvedený popis je jen příkladný a že v rámci předloženého vynálezu jsou možné modifikace v podrobnostech. Například, zatímco výhodné provedení podle obr. 1 je konkrétně popsáno v souvislosti s dvouválcovým automobilovým motorem, tento systém sání vzduchu může být použit pro jakýkoliv motor. Umístění neporézní membrány, zvyšující vlhkost, může být v některém z mnoha alternativních míst v motoru, včetně kteréhokoliv místa před nebo za vzduchovým filtrem, ve vstupním rozvaděči v místě za vytvořením směsi paliva se vzduchem nebo dokonce ve válci samotném.

Použití neporézních hydrofilních membrán je nejvýhodnější nebo v sobě zahrnuje přirozené omezení průchodu vodní páry do systému sání, přičemž netrpí ucpáváním nečistotou nebo úlomky, protože není porézní. Kromě toho neporézní hydrofilní membrána zajišťuje, že tato část systému sání vzduchu je hermeticky oddělena od zdroje vodní páry, který nemůže tedy být ovlivněn normálním provozním rozmezím tlaku vzduchu v systému sání vzduchu v průběhu provozu motoru.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims

1. Zařízení pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu, vyznačující se tím, že obsahuje hydrofilní membránu (18, 104, 108, 116, 118) s neporézním povrchem, přičemž část hydrofilní membrány (18, 104, 108, 116, 118) je v kontaktu s vodou.

2. Zařízení (10) podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje vodní nádrž (20, 110, 120), vytvořenou integrálně s hydrofilní membránou (18, 104, 108, 116, 118) s neporézním povrchem.

3. Zařízení (10) podle nároku 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje kryt (26) pro regulaci plochy hydrofilní membrány (18, 104, 108, 116, 118) s neporézním povrchem, zasahující do vodní nádrže (20, 110, 120) nebo do zařízení (10).

4. Spalovací motor, v y z n a č u j í c í se t í m , že je opatřen zařízením (10) pro zvlhčování nasávaného nebo přiváděného plynu podle nároků 1 až 3.

5. Motor podle nároku 4, v y z n a č u j í c í se t í m , že dále obsahuje výfukový systém (50) pro odvádění výfukových plynů (48), přičemž vodní nádrž (20) obsahuje teplosměnnou spirálu (52), volitelně připojenou pro přijímání výfukových plynů.

-9CT 298320 B6

6. Motor podle nároku 5, vyznačující se tím, že dále obsahuje teplotní čidlo (54), připojené k průtokovému regulátoru pro regulaci proudění výfukových plynů (48) teplosměnnou spirálou (52).

5

7. Motorové vozidlo, vyznačující se tím, že je opatřeno spalovacím motorem podle nároků 4 až 6.

8. Motorové vozidlo podle nároku 7, v y z n a č u j í c í se t í m , že je dále opatřeno palivovou nádrží (60), obsahující hydrofílní membránu (62), jejíž část je v kontaktu s vodou.

3 výkresy

- 10CZ 298320 B6

- 11 CZ 298320 B6

Okolní vzduch

Suchý vodík Okolní vzduch , nebo kyslík

-------------------- nebo kyslík Vodík |

Zvlhčený kyslík