CZ307252B6

CZ307252B6 - Způsob snižování emisí oxidů dusíku z plynových zážehových motorů se spalováním homogenní směsi a/nebo zvyšování výkonu těchto motorů při zachování emisí oxidů dusíku z těchto motorů a/nebo zvyšování celkové účinnosti těchto motorů a zařízení pro provádění tohoto způsobu

Info

Publication number: CZ307252B6
Application number: CZ2010-457A
Authority: CZ
Inventors: karohlĂd Marcel Ĺ
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze, Fakulta Strojní, Výzkumné Centrum Spalovacích Motorů A Automobilů Josefa Božka
Priority date: 2010-06-09
Filing date: 2010-06-09
Publication date: 2018-05-02
Also published as: EP2580453A2; WO2011153970A2; CZ2010457A3; WO2011153970A3

Abstract

Vynález se týká způsobu snižování emisí oxidů dusíku z plynových zážehových motorů se spalováním homogenní směsi a/nebo zvyšování výkonu těchto motorů při zachování emisí oxidů dusíku z těchto motorů a/nebo zvyšování celkové účinnosti těchto motorů. Do paliva a/nebo směsi paliva a vzduchu se přidává oxid uhličitý v množství odpovídajícím 1 až 90 % hmotn. ve směsi paliva a oxidu uhličitého ve spalovacím prostoru a na základě jeho množství se upravuje podíl paliva a spalovacího vzduchu a/nebo předstih zážehu/vstřiku paliva a/nebo kompresní poměr motoru a/nebo plnicí tlak v sacím systému motoru. Dále se vynález týká zařízení k provádění tohoto způsobu, u kterého je palivový systém motoru (2) a/nebo sací systém (1) motoru (2) a/nebo válec spalovacího motoru (2) opatřen přívodem oxidu uhličitého.

Description

Vynález se týká způsobu snižování emisí oxidů dusíku a/nebo zvyšování výkonu při zachování emisí oxidů dusíku a/nebo zvyšování celkové účinnosti u plynových zážehových nebo dvoj palivových - tj. plynný/kapalný - vznětových spalovacích motorů spalujících chudou směs a zařízení pro provádění tohoto způsobu.

Dosavadní stav techniky

Zvyšování výkonu spalovacích motorů je doprovázeno zvyšováním emisí oxidů dusíku. Oxidy dusíku jsou tvořeny během spalování paliva ve spalovacím prostoru spalovacího motoru a to oxidací dusíku ze spalovacího vzduchu. Pro tvorbu oxidů dusíku během spalování platí pravidlo, že s růstem teplot ve spalovacím prostoru během spalování roste i produkce oxidů dusíku. Snižování emisí oxidů dusíku u spalovacích motorů lze docílit dvěma základními skupinami způsobů a jejich vzájemnými kombinacemi.

Prvním skupinou způsobů jsou opatření přímo ovlivňující výsledek spalovacího procesu ve válci spalovacího motoru. Mezi tato opatření patří změna okamžiku předstihu zážehu/vstřiku paliva, změna poměru paliva a spalovacího vzduchu, změna kompresního poměru motoru, využívání řízené recirkulace výfukových plynů, snížení plnicího tlaku v sacím systému spalovacího motoru, snížení teploty směsi pomocí mezichladiče plnicího vzduchu/směsi a vstřikování vody do sacího potrubí či přímo do spalovacího prostoru.

Snižováním okamžiku předstihu zážehu/vstřiku paliva dochází k poklesu teplot během spalování a tím i k poklesu emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je, že snižováním okamžiku předstihu dochází k nárůstu teplot výfukových plynů a může dojít k poklesu celkové účinnosti motoru. U motorů s atmosférickým plněním navíc dochází také k poklesu výkonu motoru.

Pro různé hodnoty poměru paliva a spalovacího vzduchu rozeznáváme směsi bohaté - množství vzduchuje menší než odpovídá teoretické potřebě vzduchu, stechiometrické - množství vzduchu odpovídá teoretické potřebě vzduchu a chudé -množství vzduchuje větší než odpovídá teoretické potřebě vzduchu. V oblasti spalovaní chudé směsi s poklesem podílu paliva k podílu spalovacího vzduchu, tzv. ochuzováním směsi, dochází k poklesu teplot během spalování a tím i k poklesu emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je, že s ochuzováním směsi dochází k poklesu výkonu motoru, celkové účinnosti motoru a rovnoměrnosti běhu motoru a k růstu teplot výfukových plynů motoru.

Snižováním kompresního poměru motoru dochází k poklesu teplot během spalování a tím i k poklesu emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je, že snižováním kompresního poměru motoru dochází k poklesu výkonu a celkové účinnosti motoru.

Pří řízené recirkulace výfukových plynů je nasávaná směs smíchána v určitém poměru s částí spalin. Toto smíšení směsi a spalin opět způsobí pokles teplot během spalování a tím i pokles emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je jeho složitost a cena. Pokud není motor optimalizován, dochází s růstem podílu spalin na úkor podílu směsi k poklesu výkonu motoru, celkové účinnosti motoru a rovnoměrnosti běhu motoru a k růstu teplot výfukových plynů motoru.

- 1 CZ 307252 B6

Snižováním plnicího tlaku v sacím systému spalovacího motoru dochází k poklesu teplot během spalování a tím i k poklesu emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je, že snižováním plnicího tlaku dochází k poklesu výkonu motoru.

Snížení teploty směsi pomocí mezichladiěe plnicího vzduchu/směsi způsobí celkový pokles průběhu teplot k nižším hodnotám, tedy i teplot během spalování a tím i pokles emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je jeho složitost a cena.

Vstřikování vody do sacího potrubí či přímo do spalovacího prostoru způsobí s ohledem na výparné teplo pro změnu skupenství vody na vodní páru pokles teplot tedy i teplot během spalování a tím i pokles emisí oxidů dusíku. Nevýhodou tohoto řešení je vysoká cena, náročnost na výrobu, složitost a vyšší poruchovost motoru.

Druhou skupinou způsobů je dodatečná úprava již vzniklých spalin pomocí katalyzátorů.

Při provozu motoru na stechiometrickou směs se používá oxidačně-redukční katalyzátor. Tento katalyzátor snižuje emise oxidů dusíků pomocí redukční části katalyzátoru a emise oxidu uhelnatého a nespálených uhlovodíků pomocí oxidační části katalyzátoru. Z tohoto důvodu se tento katalyzátor také někdy nazývá třícestný - likviduje tri skupiny škodlivin. Při provozu motoru na chudou směs se používá pro snižování oxidů dusíku katalyzátor využívající principu selektivní katalytické redukce. Nevýhodou těchto řešení je vysoká cena, velmi vysoká složitost, omezená životnost katalyzátoru a vyšší poruchovost motoru.

Vzájemnou kombinací jednotlivých opatření lze docílit eliminace poklesu výkonu a účinnosti motoru s poklesem produkce oxidů dusíku. Kombinací opatření ale dochází k nárůstu ceny všech opatření, zvyšuje se složitost, klesá spolehlivost a roste poruchovost motoru.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nedostatky lze do značné míry odstranit způsobem snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování celkové účinnosti motoru podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že do paliva a/nebo směsi paliva a vzduchu se přidává oxid uhličitý v množství odpovídajícím 1 až 90 % hmotn. ve směsi paliva a oxidu uhličitého ve spalovacím prostoru a na základě jeho množství se upravuje podíl paliva a spalovacího vzduchu a/nebo předstih zážehu/vstřiku paliva a/nebo kompresní poměr motoru a/nebo plnicí tlak v sacím systému motoru.

Uvedený způsob patří mezi opatření přímo ovlivňující výsledek spalovacího procesu ve válci spalovacího motoru.

K provádění uvedeného způsobu slouží zařízení, u kterého je oxid uhličitý přidán do paliva kdekoliv v palivovém systému motoru a/nebo je přidán do směsi paliva a vzduchu kdekoliv v sacím systému motoru a/nebo je přidán přímo do válce spalovacího motoru.

Rostoucí podíl přidávaného oxidu uhličitého do paliva a/nebo směsi paliva a vzduchu díky nulové hodnotě výhřevnosti a vysoké hodnotě měrné tepelné kapacity oxidu uhličitého způsobí pokles teplot během spalování a tím i pokles emisí oxidů dusíku, ale také i pokles výkonu motoru. Tento pokles výkonu je eliminován obohacením směsi a/nebo zvýšením kompresního poměru motoru a/nebo zvýšením plnicího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním zvýšením předstihu zážehu/vstřiku paliva, které ale zvýší teploty během spalování a tím i emise oxidů dusíku. U přeplňovaných motorů je pokles výkonu na rozdíl od motorů s atmosférickým plněním eliminován snížením předstihu zážehu/vstřiku paliva, které nemusí zvyšovat emise oxidů dusíku. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že růst

-2 CZ 307252 B6 oxidů dusíku způsobený obohacením směsi a/nebo zvýšením kompresního poměru motoru a/nebo zvýšením plnicího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním zvýšením předstihu zážehu/vstřiku paliva je menší než pokles emisí oxidů dusíku způsobený zvýšením podílu oxidu uhličitého v palivu/směsi paliva a vzduchu.

Obohacením směsi a/nebo zvýšením kompresního poměru motoru a/nebo zvýšením plnicího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním zvýšením předstihu zážehu/vstřiku paliva dojde k nárůstu výkonu motoru, teplot během spalování a tím i emise oxidů dusíku. U motorů přeplňovaných je nárůst výkonu na rozdíl od motorů s atmosférickým plněním způsoben snížením předstihu zážehu/vstřiku paliva, které nemusí zvyšovat emise oxidů dusíku. Nárůst oxidů dusíku je eliminován přidáním oxidu uhličitého do paliva/směsi paliva a vzduchu. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že růst výkonu motoru způsobený obohacením směsi a/nebo zvýšením kompresního poměru motoru a/nebo zvýšením plnicího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním zvýšením předstihu zážehu/vstřiku paliva je větší než pokles výkonu motoru způsobený zvýšením podílu oxidu uhličitého v palivu/směsi paliva a vzduchu.

Snížení emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů podle tohoto technického řešení splňuje požadavek zachování výkonu motoru a rovnoměrnosti běhu motoru. Zvýšení výkonu motoru podle tohoto technického řešení splňuje požadavek zachování konstantní hladiny emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. Pro optimalizovaný podíl oxidu uhličitého a směsi paliva a vzduchu toto technické řešení splňuje požadavek zachování celkové účinnosti motoru. Tento optimalizovaný podíl je množství oxidu uhličitého odpovídající 1 až 90 % hmotn. ve směsi paliva a oxidu uhličitého ve spalovacím prostoru.

Jedná se o technické řešení jednoduché konstrukce, které je snadné a levné na výrobu, nezvyšuje složitost motoru, nesnižuje spolehlivost motoru, nezvyšuje poruchovost motoru a je nenáročné na provozní náklady. Ekologickou výhodou tohoto technického řešení je, že využívá již existujícího oxidu uhličitého, který je sám o sobě považován za škodlivinu - tzv. skleníkový plyn - produkovanou spalovacími motory, jako prostředek k snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování celkové účinnosti motoru. Vlastní celková produkce oxidu uhličitého použitím tohoto technického řešení se výrazně nezvyšuje a v případě zvýšení celkové účinnosti motoru se dokonce snižuje.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn na příkladech technického provedení podle přiložených výkresů. Na obr. 1 je znázorněno schéma zapojení s přívodem oxidu uhličitého do palivového systému motoru. Na obr. 2 je znázorněno další schéma zapojení s přívodem oxidu uhličitého do palivového systému motoru. Na obr. 3 je znázorněno ještě jedno schéma zapojení s přívodem oxidu uhličitého do palivového systému motoru. Na obr. 4 je znázorněno schéma zapojení s přívodem oxidu uhličitého přímo do válce spalovacího motoru. Na obr. 5 je znázorněno další schéma zapojení s přívodem oxidu uhličitého přímo do válce spalovacího motoru. Na obr. 6 je znázorněno schéma zapojení s přívodem oxidu uhličitého do palivového systému motoru a paliva přímo do válce spalovacího motoru.

Příklady uskutečnění vynálezu

Na obr. 1 je znázorněn příklad provedení technického řešení zařízení pro provádění tohoto způsobu snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvýšení celkové účinnosti motoru. Do potrubí 3 pro přívod plynného paliva je připojeno další potrubí 5

-3 CZ 307252 B6 pro přívod oxidu uhličitého. Průtok oxidu uhličitého je regulován pomocí ventilu 6. Směs plynného paliva a oxidu uhličitého je vedena přívodním potrubím 7 do sacího systému 1 spalovacího motoru 2. Průtok směsi plynného paliva a oxidu uhličitého do sacího systému 1 motoru je regulován pomocí dalšího ventilu 8. Sací systém 1 je připojen do válce spalovacího motoru 2.

Na obr. 2 a 3 je znázorněn příklad provedení technického řešení zařízení pro provádění tohoto způsobu snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvýšení celkové účinnosti motoru. Do sacího systému 1 spalovacího motoru 2 je připojeno potrubí 3 pro přívod plynného paliva. Průtok plynného paliva do sacího systému 1 je regulován pomocí regulačního ventilu 4. Do sacího systému 1 je připojeno další potrubí 5 pro přívod oxidu uhličitého. Průtok oxidu uhličitého do sacího systému 1 je regulován pomocí ventilu 6. Sací systém 1 je připojen do válce spalovacího motoru 2.

Na obr. 4 je znázorněn příklad provedení technického řešení zařízení pro provádění tohoto způsobu snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvýšení celkové účinnosti motoru. Do sacího systému 1 spalovacího motoru 2 je připojeno potrubí 3 pro přívod plynného paliva. Průtok plynného paliva do sacího systému 1 je regulován pomocí regulačního ventilu 4. Do válce spalovacího motoru 2 je připojeno další potrubí 5 pro přívod oxidu uhličitého. Průtok oxidu uhličitého do válce spalovacího motoru 2 je regulován pomocí ventilu 6. Sací systém 1 je připojen do válce spalovacího motoru 2.

Na obr. 5 je znázorněn příklad provedení technického řešení zařízení pro provádění tohoto způsobu snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvýšení celkové účinnosti motoru. Sací systém 1 je připojen do válce spalovacího motoru 2. Do válce spalovacího motoru 2 je připojeno potrubí 3 pro přívod plynného paliva. Průtok plynného paliva do válce spalovacího motoru 2 je regulován pomocí regulačního ventilu 4. Do válce spalovacího motoru 2 je připojeno další potrubí 5 pro přívod oxidu uhličitého. Průtok oxidu uhličitého do válce spalovacího motoru 2 je regulován pomocí ventilu 6.

Na obr. 6 je znázorněn příklad provedení technického řešení zařízení pro provádění tohoto způsobu snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvýšení celkové účinnosti motoru. Do sacího systému 1 spalovacího motoru 2 je připojeno další potrubí 5 pro přívod oxidu uhličitého. Průtok oxidu uhličitého do sacího systému 1 je regulován pomocí ventilu 6. Do válce spalovacího motoru 2 je připojeno potrubí 3 pro přívod plynného paliva. Průtok plynného paliva do válce spalovacího motoru 2 je regulován pomocí regulačního ventilu

4. Sací systém 1 je připojen do válce spalovacího motoru 2.

Průmyslová využitelnost

Způsob snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování výkonu spalovacích motorů při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvýšení celkové účinnosti motoru a zařízení pro provádění tohoto způsobu podle tohoto technického řešení nalezne uplatnění především u plynových zážehových nebo dvojpalivových plynný/kapalný - vznětových spalovacích motorů spalujících chudou směs, které mají dostupný dostatečný zdroj oxidu uhličitého.

Claims

1. Způsob snižování emisí oxidů dusíku z plynových zážehových motorů se spalováním

5 homogenní směsi a/nebo zvyšování výkonu těchto motorů při zachování emisí oxidů dusíku z těchto motorů a/nebo zvyšování celkové účinnosti těchto motorů, vyznačující se tím, že do paliva a/nebo směsi paliva a vzduchu se přidává oxid uhličitý v množství odpovídajícím 1 až 90 % hmotn. ve směsi paliva a oxidu uhličitého ve spalovacím prostoru a na základě jeho množství se upravuje podíl paliva a spalovacího vzduchu a/nebo předstih zážehu/vstřiku paliva ío a/nebo kompresní poměr motoru a/nebo plnicí tlak v sacím systému motoru.

2. Zařízení k provádění způsobu podle nároku 1, vyznačující se tím, že palivový systém motoru (2) a/nebo sací systém (1) motoru (2) a/nebo válec spalovacího motoru (2) je opatřen přívodem oxidu uhličitého.