CZ31351U1 - Zážehový plynový spalovací motor - Google Patents

Description

Oblast techniky

Zážehový plynový spalovací motor, jehož palivový systém obsahuje palivovou nádrž s plynným hlavním palivem a palivovou nádrž s druhým plynným palivem lišícím se od hlavního paliva, přičemž válec motoru obsahuje zapalovací komůrku, ve které je uspořádán prostředek k zapálení v ní se nacházejícího plynného paliva, přičemž zapalovací komůrka je propojovacími otvory spojena s hlavním spalovacím prostorem, přičemž přívod čistého hlavního paliva je vyústěn do přívodního kanálu před sací ventil válce, kde je smí sen se vzduchem, případně s recirkulo vánými spalinami, přičemž spalovací motor je spřažen s řídicí jednotkou motoru ke sledování aktuálního stavu chodu motoru a v závislosti na něm k řízení alespoň palivového systému, systému časování zapalování a výkonu motoru.

Dosavadní stav techniky

Zážehový motor se zapalováním jiskrou, jehož jiskřiště je umístěno v neděleném spalovacím prostoru, umožňuje provoz motoru se složením směsi paliva a vzduchu, které je blízké stechiometrickému poměru. Při významném zředění směsi však dochází k podstatnému snížení chemické účinnosti spalování, ke zvýšení obsahu nespálených uhlovodíků ve spalinách, k velké variabilitě pracovních cyklů a posléze až k úplnému zhroucení spalovacího procesu. Tyto okolnosti limitují možnost provozu motoru při extrémně chudé směsi hodnotou součinitele přebytku vzduchu cca 1,65.

Zředění směsi však vede ke snížení teploty v průběhu vysokotlaké části pracovního cyklu s příznivým důsledkem snížení obsahu oxidů dusíku v surových spalinách. Postupné zpřísňování emisních limitů ovšem vyžaduje provádět dodatečné úpravy spalin.

Dokument US20070236122A1 představuje řešení se zapalovací komůrkou, která je propojena s hlavním spalovacím prostorem, přičemž je v ní známým způsobem uspořádáno jiskřiště zapalovací svíčky. Tím se sice snižuje mezioběhový rozptyl cyklů, nemožnost provozu při extrémně zředěné směsi však zůstává.

Výrazné rozšíření mezí zápalnosti a zvýšení účinnosti motoru je umožněno přívodem paliva vyznačujícího se vysokou rychlostí hoření do zapalovací komůrky. Dokument WO9602742A1 popisuje zapalovací zařízení, u kterého se do zapalovací komůrky přivádí vodík. To je podle tohoto dokumentu výhodné zvláště u stacionárních zážehových motorů, jejichž součástí je i zařízení pro výrobu vodíku tepelným rozkladem vody anebo reformingem uhlovodíkového paliva v místě instalace motoru, což popisuje dokument WO2014053167A1.

Provoz spalovacího motoru v širokém rozmezí přebytku vzduchu a zatížení však výše popsané použití čistého vodíku neumožňuje. Při nízkém zatížení je provoz motoru na chudou směs žádoucí, neboť s ochuzením se snižuje maximální spalovací teplota a následně klesají emise oxidů dusíku. Navíc díky příznivé Poissonově konstantě náplně válce a minimalizaci ztrát chlazením roste tepelná účinnost motoru.

Spalovací motor je však provozován i ve vysokém zatížení. V tomto režimu je vhodné v motoru udržovat stechiometrickou směs především z hlediska součinnosti s třícestným katalyzátorem dodatečně likvidujícím škodliviny ve spalinách. V režimu plného zatížení se stechiometrickým směšovacím poměrem vede vyplachování komůrky samotným vodíkem k předzápalům kvůli vysoké reaktivitě a rychlosti hoření vodíku.

Cílem technického řešení je odstranit nebo alespoň zmírnit nedostatky dosavadního stavu techniky, především z hlediska zvýšení tepelné účinnosti motoru a minimalizace mezioběhové variability pracovních cyklů motoru, při současném dosažení příznivějšího složení surových spalin.

-1 CZ 31351 Ul

Podstata technického řešení

Cíle technického řešení je dosaženo zážehovým plynovým spalovacím motorem obsahujícím palivovou nádrž s plynným hlavním palivem a palivovou nádrž s druhým plynným palivem lišícím se od hlavního paliva, přičemž válec motoru obsahuje zapalovací komůrku, přičemž podstatou technického řešení je to, že palivový systém motoru obsahuje směšovač plynných paliv připojený k přívodu hlavního plynného paliva a k přívodu druhého plynného paliva, přičemž prostředek pro nastavení vzájemného poměru smíšení hlavního paliva a druhého paliva ve směšovací je spřažen s řídicí jednotkou motoru, přičemž ze směšovače vystupuje potrubí přívodu vedlejšího paliva do motoru, které ústí do zapalovací komůrky.

Směšovací poměr hlavního a druhého paliva ve vedlejším plynném palivu je za směšovačem v rozsahu od nuly do 100% jednoho z plynů.

Směšovací poměr plynů tvořících vedlejší palivo přivedené do zapalovací komůrky je řídicí jednotkou motoru řízen v závislosti na režimu provozu motoru.

Zapalovací komůrka s přívodem vedlejšího paliva tak umožňuje provoz motoru při extrémně zředěné směsi s hodnotou součinitele přebytku vzduchu větším než 2. V případě požadavku chodu motoru při extrémně nízkém zatížení je válec plněn extrémně chudou směsí a pro její požadované zapálení nastaví směšovací poměr vedlejšího paliva přiváděného do zapalovací komůrky na 100% čistého vodíku. Naopak při režimu plného zatížení se zapalovací komůrka vyplachuje plynným palivem s co možná nejvyšší odolností proti samovznícení, tedy hlavním palivem, kterým je čistý zemní plyn.

V potrubí přívodu vedlejšího paliva do motoru je mezi směšovačem a vstupem do zapalovací komůrky zařazen tlakový regulátor spřažený s řídicí jednotkou motoru.

V zapalovací komůrce je uspořádán zapalovací prostředek, kterým je s výhodou vysokonapěťová zapalovací svíčka nebo laser.

Objasnění výkresu

Řešení podle technického řešení je znázorněno na obr. 1 schématem válce s palivovým systémem zážehového plynového spalovacího motoru.

Příklady uskutečnění technického řešení

Na obr. 1 je schematicky znázorněna jedna válcová jednotka zážehového plynového spalovacího motoru 1, který obsahuje válec 10, v němž je uložen píst li a válec 10 je zakončen hlavou 12. Mezi pístem a hlavou jev pracovním válci vytvořen hlavní spalovací prostor 13, k němuž je prostřednictvím sacího ventilu 16 připojen přívodní kanál 14 směsi vzduchu a hlavního paliva a případně recirkulovaných výfukových plynů a prostřednictvím výfukového ventilu 17 výfukový kanál 15. V oblasti osy válce 10 je k hlavnímu spalovacímu prostoru 13 připojena zapalovací komůrka 18 sjiskřištěm blíže neznázoměné vysokonapěťové zapalovací svíčky 19. K zapálení směsi může být využito i jiného prostředku, například laserového zapalovacího zařízení. Zapalovací komůrka 18 je s hlavním spalovacím prostorem 13 spojena propojovacími otvory 20.

Spalovací motor i je připojen ke dvěma neznázoměným nádržím s různými plynnými palivy. Hlavní palivo je palivem s vysokou odolností proti samovznícení. V příkladném provedení je hlavním palivem zemní plyn s velkým podílem metanu, který požadavek na vysokou odolnost proti samovznícení splňuje z plynných uhlovodíků nejlépe. Hlavní palivo je přiváděno přívodem

3.

Druhým přívodem 4 je spalovací motor připojen k neznázoměné nádrži druhého paliva, kterým je v příkladném provedení vodík vyznačující se vysokou rychlostí hoření.

Na výstupech z obou palivových nádrží jsou v potrubích přívodů 3, 4 zařazeny tlakové regulátory 31, 41.

-2CZ 31351 Ul

Potrubí přívodu 3 hlavního paliva vstupuje za tlakovým regulátorem 31 do prvního hrdla trojcestné spojky 32, jejíž druhé hrdlo je připojeno k potrubí 33, které ústí do přívodního kanálu 14 hlavního paliva před sací ventil 16 v příkladném provedení prostřednictvím zařízení pro směšování vzduchu a hlavního paliva tvořeného středotlakým vstřikovačem 34· Třetí hrdlo trojcestné spojky 32 je propojovacím potrubím 5 zavedeno do směšovače 6, do kterého ústí i potrubí přívodu 4 druhého paliva. Směšovačem 6 je přívod 3 hlavního paliva propojen s přívodem 4 druhého paliva. Palivo za směšovačem 6 je buď čistým vodíkem, nebo směsí čistého vodíku a hlavního paliva nebo čisté hlavní palivo, a je dále uváděno jako vedlejší palivo. V přívodu 4 druhého paliva je před směšovačem 6 vložen zpětný ventil 42. Mezi třetím hrdlem trojcestné spojky 32 a směšovačem 6 je vložen zpětný ventil 51 zabraňující vstupu druhého paliva do přívodního kanálu 14 hlavního paliva.

Ve výstupním potrubí 61 vedlejšího paliva ze směšovače 6, které je druhým palivem nebo směsí druhého a hlavního paliva nebo čistým hlavním palivem, je zařazen v sérii tlakový regulátor 62, vyrovnávací komora 63 a zpětný ventil 64. Za zpětným ventilem 64 ie potrubí 61 vedlejšího paliva, resp. směsi druhého a hlavního paliva, připojeno k zapalovací komůrce 18. Tlakový regulátor 62 je spřažen s řídicí jednotkou motoru, která jeho prostřednictvím řídí množství vedlejšího paliva přiváděné do zapalovací komůrky 18 podle provozního režimu motoru.

Palivový a zapalovací systém motoru je spřažen s neznázoměnou řídicí jednotkou, která podle požadavků motoru řídí alespoň poměr součástí hlavního a druhého paliva ve vedlejším palivu, odměřování hlavního paliva do přívodního kanálu L4 a vedlejšího paliva do zapalovací komůrky 18, okamžik zažehnutí paliva přivedeného do zapalovací komůrky, jakož i výkon motoru neznázoměným ovládacím prvkem průtoku směsi.

Za chodu motoru během kompresního zdvihu poblíž horní úvrati dochází v zapalovací komůrce 18 k zapálení dobře zápalné směsi a následnému výšlehu náplně komůrky přes propojovací otvory 20 do hlavního spalovacího prostoru 13. Tím dojde v hlavním spalovacím prostoru 13 k vícebodovému intenzivnímu zapálení hlavního paliva energií mnohonásobně převyšující zapalovací energii zapalovací svíčky nebo podobného známého zdroje.

Směšovací poměr hlavního a druhého paliva ve vedlejším plynném palivu je řízen řídicí jednotkou v rozsahu od nuly do 100% jednoho z plynů.

Zapalovací komůrka 18 s přívodem vedlejšího paliva tak umožňuje provoz motoru při extrémně zředěné směsi s hodnotou součinitele přebytku vzduchu větším než 2. Vysoké zředění směsi vede k nižšímu obsahu oxidů dusíku v surových spalinách. V případě požadavku chodu motoru při extrémně nízkém zatížení je válec plněn extrémně chudou směsí a pro její požadované zapálení nastaví směšovací poměr vedlejšího paliva přiváděného do zapalovací komůrky 18 na 100% čistého vodíku, tedy druhého paliva. Naopak při režimu plného zatížení je vhodné zapalovací komůrku 18 vyplachovat plynným palivem s co možná nejvyšší odolností proti samo vznícení, tedy hlavním palivem, kterým je čistý zemní plyn.

Řešení plynového spalovacího motoru podle technického řešení je využitelné jak pro mobilní, tak pro stacionární aplikace. Přínosem je přitom zvýšení tepelné účinnosti spalovacího motoru, minimalizace mezioběhové variability parametrů motoru a dosažení příznivějšího složení surových spalin ve srovnání s uspořádáním plynových spalovacích motorů podle dosavadního stavu techniky.

Claims (8)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Zážehový plynový spalovací motor (1), jehož palivový systém obsahuje palivovou nádrž s plynným hlavním palivem a palivovou nádrž s druhým plynným palivem lišícím se od hlavního paliva, přičemž válec (10) motoru obsahuje zapalovací komůrku (18), ve které je uspořádán prostředek k zapálení v ní se nacházejícího plynného paliva, přičemž zapalovací komůrka (18) je

   -3CZ 31351 Ul propojovacími otvory (20) spojena s hlavním spalovacím prostorem (13), přičemž přívod čistého hlavního paliva je vyústěn do přívodního kanálu (14) před sací ventil (16) válce (10), přičemž spalovací motor je spřažen s řídicí jednotkou motoru ke sledování aktuálního stavu chodu motoru a v závislosti na něm k řízení alespoň palivového systému, systému časování zapalování a výkonu motoru, vyznačující se tím, že palivový systém obsahuje směšovač (6) plynných paliv připojený k přívodu (3) hlavního plynného paliva a k přívodu (4) druhého plynného paliva, přičemž prostředek pro nastavení vzájemného poměru smíšení hlavního paliva a druhého paliva v směšovací (6) je spřažen s řídicí jednotkou motoru, přičemž ze směšovače (6) vystupuje potrubí (61) přívodu vedlejšího paliva do motoru (1), které ústí do spalovací komůrky (18).
2. 2. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že směšovací poměr hlavního a druhého paliva ve vedlejším plynném palivu je za směšovačem (6) v rozsahu od nuly do 100% jednoho z plynů.
3. 3. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že v potrubí (61) přívodu vedlejšího paliva do motoru je mezi směšovačem (6) a vstupem do zapalovací komůrky (18) zařazen tlakový regulátor (62) spřažený s řídicí jednotkou motoru.
4. 4. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že v zapalovací komůrce (18) je uspořádán zapalovací prostředek.
5. 5. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že zapalovacím prostředkem je vysokonapěťová zapalovací svíčka (19).
6. 6. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle nároku 4, vyznačující se tím, že zapalovacím prostředkem je laser.
7. 7. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle kteréhokoliv z předchozích nároků, vyznačující se tím, že s řídicí jednotkou motoru (1) je spřaženo zařízení pro směšování vzduchu a hlavního paliva tvořené středotlakým vstřikovačem (34) hlavního paliva uspořádané v přívodním potrubí (14) směsi do hlavního spalovacího prostoru (13).
8. 8. Zážehový plynový spalovací motor (1) podle kteréhokoliv z nároků laž6, vyznačující se tím, že s řídicí jednotkou motoru (1) je spřaženo zařízení pro směšování vzduchu a hlavního paliva tvořené nízkotlakým směšovačem hlavního paliva se vzduchem uspořádané v přívodním potrubí (14) směsi do hlavního spalovacího prostoru (13).