CZ31313U1 - Zařízení pro snižování emisí oxidů dusíku a/nebo zvyšování výkonu a/nebo zvyšování celkové účinnosti spalovacích motorů - Google Patents

Description

Oblast techniky

Technické řešení se týká zařízení pro snižování emisí oxidů dusíku a/nebo zvyšování výkonu při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů a/nebo zvyšování celkové účinnosti při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů u plynových zážehových spalovacích motorů spalujících chudou směs.

Dosavadní stav techniky

Zvyšování výkonu a účinnosti 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 ajejich vzájemnými kombinacemi.

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

Snižováním úhlu předstihu zážehu 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 řešeníje, 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.

Při 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.

Snižováním plnícího 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 plnícího tlaku dochází k poklesu výkonu motoru.

Snížení teploty směsi pomocí mezichladiče plnícího 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 výpamé teplo pro změnu skupenství vody na vodní páru pokles teplot tedy i teplot během spalování

CZ 31313 Ul 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 tři 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 technického řešení

Výše uvedené nedostatky lze do značné míry odstranit zařízením pro 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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů, podle tohoto technického řešení. Jeho podstatou je to, že palivový systém motoru a/nebo sací systém motoru a/nebo válec spalovacího motoru je opatřen přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého, pro výsledné složení paliva ve spalovacím prostoru, kde je množství metanu 50 až 60 % obj., propanu 20 až 25 % obj. a oxidu uhličitého 20 až 25 % obj.

Uvedené zařízení patří mezi opatření přímo ovlivňující výsledek spalovacího procesu ve válci spalovacího motoru.

Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že výsledné složení paliva ve válci díky stanovenému obsahu metanu a propanu zrychlí průběh hoření ve válci spalovacího motoru a více tak přiblíží reálný pracovní cyklus motoru teoretickému ideálnímu pracovnímu cyklu. Tímto přiblížením pracovního cyklu teoretickému je zvýšena účinnost a výkon motoru. Stanovený obsah oxidu uhličitého ve výsledném složení paliva ve válci způsobí zachování odolnosti paliva ke klepání v použitelných mezích.

Tento zvýšený výkon motoru je eliminován ochuzením směsi paliva a vzduchu a/nebo snížením kompresního poměru motoru a/nebo snížením plnícího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním snížením úhlu předstihu zážehu, které sníží teploty během spalování a tím i emise oxidů dusíku. U přeplňovaných motorů je růst výkonu na rozdíl od motorů s atmosférickým plněním eliminován zvýšením úhlu předstihu zážehu. Pokles oxidů dusíku způsobený ochuzením směsi paliva a vzduchu a/nebo snížením kompresního poměru motoru a/nebo snížením plnícího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním snížením úhlu předstihu zážehu je větší než růst emisí oxidů dusíku způsobený zvýšením výkonu motoru, který je způsobený přidáním směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do paliva a/nebo směsi paliva a vzduchu.

Ochuzení směsi paliva a vzduchu a/nebo snížení kompresního poměru motoru a/nebo snížení plnícího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním snížením úhlu předstihu zážehu dojde k poklesu výkonu motoru, teplot během spalování a tím i emise oxidů dusíku. U motorů přeplňovaných je pokles výkonu na rozdíl od motorů s atmosférickým plněním způsoben zvýšením úhlu předstihu zážehu. Pokles oxidů dusíku je eliminován přidáním směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do paliva/směsi paliva a vzduchu. Podstata tohoto technického řešení spočívá v tom, že pokles výkonu motoru způsobený ochuzením směsi a/nebo snížením kompresního poměru motoru a/nebo snížením plnícího tlaku v sacím systému motoru a/nebo v případě motorů s atmosférickým plněním snížením úhlu předstihu zážehu je menší než

CZ 31313 Ul růst výkonu motoru způsobený přidáním směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do paliva a/nebo směsi paliva a vzduchu.

Snížení emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů podle tohoto technického řešení splňuje požadavek zachování výkonu a účinnosti motoru a rovnoměrnosti běhu motoru. Zvýšení výkonu motoru podle tohoto technického řešení splňuje požadavek zachování konstantní hladiny emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. Zvýšení účinnosti motoru podle tohoto technického řešení splňuje požadavek zachování výkonu a konstantní hladiny emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů.

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.

Objasnění výkresů

Technické řešení bude blíže objasněno na konkrétních příkladech provedení s pomocí přiložených výkresů. Na obr. 1 je znázorněno schéma zapojení s přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do palivového systému motoru. Na obr. 2 je znázorněno další schéma zapojení s přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do palivového systému motoru. Na obr. 3 je znázorněno ještě jedno schéma zapojení s přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do palivového systému motoru. Na obr. 4 je znázorněno schéma zapojení s přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého přímo do válce spalovacího motoru. Na obr. 5 je znázorněno další schéma zapojení s přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého přímo do válce spalovacího motoru. Na obr. 6 je znázorněno schéma zapojení s přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do palivového systému motoru a paliva přímo do válce spalovacího motoru. Příklady uskutečnění technického řešení

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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. Do potrubí 3 pro přívod plynného paliva je připojeno další potrubí 5 pro přívod směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého. Průtok směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého je regulován pomocí ventilu 6. Směs plynného paliva a směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého je vedena přívodním potrubím 7 do sacího systému i spalovacího motoru 2. Průtok směsi plynného paliva a směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do sacího systému 1 motoru je regulován pomocí dalšího ventilu 8. Sací systém i 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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. Do sacího systému i 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 i je připojeno další potrubí 5 pro přívod směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého. Průtok směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do sacího systému 1 je regulován pomocí ventilu 6. Sací systém i 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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. Do sacího systému i 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 směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého. Průtok směsi meCZ 31313 Ul tanu, propanu a oxidu uhličitého do válce spalovacího motoru 2 je regulován pomocí ventilu 6. Sací systém I 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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. 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 směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého. Průtok směsi metanu, propanu a 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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů. Do sacího systému I spalovacího motoru 2 je připojeno další potrubí 5 pro přívod směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého. Průtok směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého do sacího systému i 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.

U příkladného zařízení pro snižování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů se do směsi paliva a vzduchu přidává směs metanu, propanu a oxidu uhličitého tak, že ve výsledném složení paliva ve spalovacím prostoru je množství metanu 50 % obj., propanu 25 % obj. a oxidu uhličitého 25 % obj. a na základě složení paliva ve spalovacím prostoru se upravuje kompresní poměr motoru.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro 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 při zachování emisí oxidů dusíku ze spalovacích motorů nalezne uplatnění především u plynových zážehových spalovacích motorů spalujících chudou směs, které mají dostupný dostatečný zdroj směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého.

Claims (1)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zařízení pro snižování emisí oxidů dusíku a/nebo zvyšování výkonu a/nebo zvyšování celkové účinnosti spalovacích motorů, přičemž zvyšování výkonu spalovacích motorů probíhá při zachování emisí oxidů dusíku a zvyšování celkové účinnosti motoru probíhá při zachování emisí oxidů dusíku, vyznačující se tím, že palivový systém motoru (2) a/nebo sací systém (1) motoru (2) a/nebo válec spalovacího motoru (2) je opatřen přívodem směsi metanu, propanu a oxidu uhličitého, pro výsledné složení paliva ve spalovacím prostoru, kde je množství metanu 50 až 60 % obj., propanu 20 až 25 % obj. a oxidu uhličitého 20 až 25 % obj.