NL1011844C2 - Werkwijze en stelsel voor het bereiden van een lucht-brandstofmengsel. - Google Patents

Description

Stelsel en werkwijze voor het bereiden van een lucht-brandstofmenesel.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een brandstoftoevoerstelsel voor een smoorklep geregelde inwendige verbrandingsmotor, omvattende een inlaatleiding 5 voor hel aan die motor toevoeren van een lucht-brandstofmengsel, waarin een smoorklep is aangebracht, waarbij op die inlaatleiding aangesloten zijn een toevoer voor primaire brandstof en een toevoer voor secundaire brandstof, waarbij sensormiddelen aanwezig zijn, die de verbrandingsomstandigheden van die inwendige verbrandingsmotor bepalen, welke verbonden zijn met een sturing waarmee een 10 regelafsluiter voor de secundaire brandstof gestuurd wordt.

Een dergelijk stelsel is bekend uit het Amerikaans octrooischrift 5070850. Daarin wordt een verbrandingsmotor beschreven in het bijzonder uitgevoerd voor het verbranden van moerasgas. Omdat de toevoer daarvan onregelmatig is, wordt voorgesteld een secundaire brandstoftoevoer te verwezenlijken. Deze bestaat uit een 15 LPG.

Bij allerlei processen wordt een onregelmatige toevoer van primaire, eventueel brandstof bevattende, stroom gas verkregen. Als voorbeeld worden genoemd allerlei biogasinstallaties en chemische installaties waarbij dampen vrijkomen die mogelijkerwijs brandbare produkten bevatten. Volgens de meest eenvoudige in de 20 stand der techniek bekende oplossing worden dergelijke gassen op een niet milieuvriendelijke wijze naar de atmosfeer geventileerd dan wel met behulp van een schoorsteen in het milieu gebracht waarbij aan het einde van de schoorsteen een waakvlam aanwezig is en eventuele brandstof afgefakkeld wordt. Op deze wijze wordt de brandstof op niet nuttige wijze verbrand.

25 Bij een verbeterde in de stand der techniek bekende uitvoering wordt een dergelijke primaire gassstroom aan een inwendige verbrandingsmotor toegevoerd. De mechanische energie verkregen met deze verbrandingsmotor kan bijvoorbeeld dienen voor het opwekken van electriciteit of op andere wijze nuttig gebruikt worden. Vaak is het gewenst een dergelijke inwendige verbrandingsmotor continu met hetzelfde 30 vermogen te laten draaien. Omdat de hoeveelheid en samenstelling van de primaire gasstroom aanzienlijk wisselt, wordt een hulpbrandstof gebruikt, die bij voorkeur in gasvormige toestand ingebracht wordt. Voorbeelden van dergelijke hulpbrandstoffen zijn aardgas en propaan maar vanzelfsprekend kunnen ook vloeibare brandstoffen zoals 1011844 2 benzine en dergelijke gebruikt worden. De toevoer van een dergelijke hulpbrandstof wordt geregeld aan de hand van de bedrijfskarakteristiek van de motor. In een bijzonder eenvoudige uitvoering wordt een λ-sonde in de uitlaat van de verbrandingsmotor aangebracht en deze stuurt de regelklep voor de hulpbrandstof 5 zodanig dat de motor steeds in het optimale gebied loopt. De primaire gasstroom wordt onbelemmerd in de inlaat van de verbrandingsmotor toegelaten. Vanzelfsprekend kan in de inlaat van de verbrandingsmotor een smoorklep aanwezig zijn afhankelijk van het type verbrandingsmotor. Indien echter de primaire gasstroom een bijzonder hoog aandeel brandstof omvat ontstaat een te rijk mengsel. Immers, met de regelklep voor de 10 hulpbrandstof kan de toevoer van de primaire gasstroom niet beheerst worden. Dit probleem kan vermeden worden door de menger waar de primaire brandstof met lucht gemengd wordt, zodanig uit te voeren dat steeds een overmaat lucht aanwezig is.

Echter betekent dit dat de verbrandingsmotor uitgevoerd moet worden voor bijzonder grote hoeveelheden brandstof, welke in het algemeen niet aanwezig zijn in de primaire 15 gasstroom zodat in praktijk behalve in uitzonderlijke gevallen steeds secundaire of hulpbrandstof aan de verbrandingsmotor toegevoerd moet worden.

Bovendien wordt als veiligheid voorgeschreven dat de regelklep voor de toevoer van hulpbrandstof nooit volledig gesloten kan zijn. Immers, indien de samenstelling van de hulpbrandstof snel wijzigt, kan de sturing daar mogelijkerwijs niet voldoende 20 snel op reageren zodat altijd 10-15% van de brandstof hulpbrandstof is.

Dit heeft tot gevolg dat dergelijke verbrandingsmotoren altijd voor een flink deel op hulpbrandstof draaien hetgeen vanzelfsprekend niet het doel is. Immers, beoogd wordt een inwendige verbrandingsmotor met de brandstof eventueel aanwezig in de primaire gasstroom te bedrijven.

25 In tegenstelling tot de toevoer van moerasgas bestaat bij bijvoorbeeld affakkelinstallaties het probleem dat de primaire brandstof behalve dat deze onregelmatig toegevoerd wordt, bovendien een zeer onregelmatige samenstelling kan hebben. Het is goed mogelijk dat deze bijzonder arm is.

In een dergelijk geval wordt in de stand der techniek de primaire toevoer van 30 brandstof met een geringe verbrandingswaarde onderbroken en vindt bedrijf uitsluitend plaats op basis van de secundaire brandstof.

Indien een dergelijke situatie ontoelaatbaar is wordt een grotere verbrandingsmotor gekozen die zodanig uitgevoerd is dat bij de bestaande toevoer van 1011844 3 lucht en maximale toevoer van secundiare brandstof en maximaal verarmde primaire brandstof nog steeds optimale bedrijfsomstandigheden heersen. Dit betekent in de praktijk dat een dergelijke verbrandingsmotor bijna uitsluitend altijd mede bedreven wordt op secundaire brandstof hetgeen niet wenselijk is.

5 Het is het doel van de onderhavige uitvinding de nadelen van de hierboven beschreven stand der techniek weg te nemen en in een stelsel te voorzien voor het bereiden van een lucht-brandstofstelsel waarbij zo weinig mogelijk hulpbrandstof toegepast wordt en anderzijds ook bij een bijzonder laag calorische primaire brandstof optimale verbranding gewaarborgd is.

10 Dit doel wordt bij een hierboven stelsel verwezenlijkt doordat ten minste een verdere regelafsluiter aangebracht is in het luchtinlaatkanaal stroomopwaarts van die smoorklep welke regelafsluiter door die sturing gestuurd wordt.

Volgens de onderhavige uitvinding is het mogelijk de luchttoevoer afzonderlijk, geheel of gedeeltelijk af te sluiten. In een dergelijke toestand is het mogelijk dat de 15 verarmde primaire brandstof in het uiterste geval het enige produkt is dat aan de verbrandingsmotor toegevoerd wordt of uitsluitend in combinatie met secundaire brandstof toegevoerd wordt. Deze verarmde brandstof blijkt in praktijk vaak voldoende zuurstof te bevatten om verbranding mogelijk te maken. Extra toevoer van lucht wordt niet meer of in mindere mate toegepast. Daardoor kan de verbrandingsmotor kleiner 20 bemeten worden terwijl toch nog steeds gegarandeerd wordt dat verbranding in voldoende mate plaats vindt. Anderzijds is met een dergelijke constructie minder de behoefte aanwezig secundaire brandstof te gebruiken waardoor het totale gebruik secundaire brandstof bij hetzelfde motorvermogen aanzienlijk daalt.

Regeling van de toevoer van inlaatlucht kan met behulp van een klep plaats 25 vinden. Het is echter eveneens mogelijk de toevoer van de primaire gasstroom en de inlaatlucht met behulp van een driewegklep te sturen zodat steeds een in hoofdzaak constante hoeveelheid gas aan de verbrandingsmotor toegevoerd wordt waarvan de samenstelling (lucht/brandstof) steeds zoveel mogelijk geoptimaliseerd wordt. Bij een dergelijke constructie is het niet langer noodzakelijk in het geval van een primaire 30 gasstroom die bijzonder weinig brandstof bevat hulpbrandstof te gebruiken omdat te veel inlaatlucht toegevoerd wordt.

1011844 4

Volgens een van voordeel zijnde uitvoering van de uitvinding wordt gebruik gemaakt van een dubbele gesloten regelkring waarin de klep voor de toevoer van de primaire gasstroom opgenomen is.

Door het smoren van de primaire gasstroom is het mogelijk bij een piektoevoer van 5 primair gas waarin veel brandstof aanwezig wordt met de regelklep deze piek te dempen zodat de verbrandingsmotor voor een kleinere maximale belasting uitgevoerd kan worden. Bovendien is het daardoor mogelijk met uitsluitend de primaire gasstroom het bedrijf van de verbrandingsmotor te regelen. Dat wil zeggen dat bij een regelwijze bij het opstarten de klep voor de toevoer van primaire brandstof volledig geopend is en 10 de regelklep voor de hulpbrandstof het bedrijf regelt. Wordt via de primaire gasstroom meer brandstof aan de verbrandingsmotor toegevoerd, dan sluit de regelklep voor de hulpbrandstof. In tegenstelling tot de stand der techniek sluit deze volledig. Vanaf dat moment treedt de "gesloten regelkring" voor de hulpbrandstof buiten werking en wordt de tweede "gesloten regelkring" ingeschakeld waarbij de klep voor de toevoer van 15 primaire brandstof in samenwerking met de sensor het bedrijf van de verbrandingsmotor regelt.

Begrepen zal worden dat onder "sensor voor het regelen van het bedrijf van de inwendige verbrandingsmotor" elke in de stand der techniek bekende sensor verstaan kan worden. Hierboven werd als voorbeeld een uitlaatgassensor genoemd. Het is echter 20 ook mogelijk het vermogen van de verbrandingsmotor op enigerlei wijze te bepalen en/of andere parameters die kenmerkend zijn voor het bedrijf van de verbrandingsmotor.

Bij het hierboven beschreven stelsel wordt de primaire gasstroom met behulp van een menginrichting vermengd met lucht afkomstig uit de luchtinlaat. De 25 mengverhouding in een dergelijke menginrichting kan een vaste verhouding zijn. Dit heeft als nadeel dat indien de verhouding tussen de hoeveelheid lucht en brandstof in de primaire gasstroom aanzienlijk wijzigt daarvoor geen correctie optreedt met betrekking tot de ingebrachte hoeveelheid lucht via de inlaat uit de omgeving. Immers de menginrichting doseert op gashoeveelheden en niet op gassamenstelling. Daardoor kan 30 het in het uiterste geval noodzakelijk zijn de klep van de primaire gasstroom enigszins te sluiten en de regelklep voor de hulpbrandstof te openen.

1011844 5

Volgens de onderhavige uitvinding is hel eveneens mogelijk in de toevoer van de primaire gasstroom een buffer aan te brengen. Daarmee kunnen onregelmatigheden in de toevoer van de primaire gasstroom opgevangen worden.

Zoals hierboven al aangegeven, is de toevoer voor primaire brandstof bij 5 voorkeur verbonden met een chemische installatie en dient voor het affakkelen van gassen.

De uitvinding heeft eveneens betrekking op een werkwijze voor het bereiden van een aan een smoorklep geregelde inwendige verbrandingsmotor toe te dienen lucht/brandstofmengsel, waarbij een onregelmatige toevoer primaire, eventueel 10 brandstof bevattende, stroomgas en eventueel een toevoer secundaire brandstof aan die verbrandingsmotor toegevoerd worden, waarbij de verbrandingsomstandigheden van die inwendige verbrandingsmotor met een sensor bepaald worden en door die sensor gestuurd, de toevoer van secundaire hulpbrandstof aan de hand daarvan geregeld wordt, waarbij de toegevoerde mengselstroom met die smoorklep gedoseerd wordt, waarbij 15 dat de toegevoerde luchtstroom afzonderlijk geregeld wordt door die sensor.

De uitvinding zal hieronder nader aan de hand van in de tekening afgebeelde uitvoeringsvoorbeelden verduidelijkt worden. Daarbij tonen:

Fig. 1 zeer schematisch een uitvoeringsvorm van de uitvinding;en

Fig. 2 grafisch verschillende bedrijfsomstandigheden van de verbrandingsmotor 20 als functie van de toegevoerde primaire gasstroom en de positie van de driewegklep volgens fig. 1.

In fig. 1 is een inwendige verbrandingsmotor in het geheel met 1 aangegeven. Deze is voorzien van een inlaatspruitstuk 2 waarvoor een smoorklep 3 aangebracht is. Deze smoorklep 3 is afhankelijk van het motortype en is uitgevoerd zijn om het 25 toerental dan wel de belasting van de verbrandingsmotor constant te houden. De uitlaat van de verbrandingsmotor 1 is met 4 aangegeven en een uitlaatgassensor, meer in het bijzonder een zogenaamde λ-sensor 5 is aanwezig. Stroomafwaarts van deze uitlaatgassensor is een katalysator 6 aangebracht.

Met behulp van leiding 28 wordt een hulpbrandstof ingebracht. De hoeveelheid 30 daarvan wordt geregeld door een regelklep 21 welke met behulp van sturing 20 en leiding 26 geregeld wordt. De hulpbrandstof kan op enige in de stand der techniek bekende wijze in het inlaatkanaal van de verbrandingsmotor gebracht worden. Indien de hulpbrandstof een gas is, kan daarvoor een menger 25 zoals een venturimenger 1011844 6 gebruikt worden. Begrepen zal worden dat indien een vloeistof toegepast wordt injectoren en dergelijke gebruikt kunnen worden.

Met 27 is de toevoer van een primaire gasstroom aangegeven. Deze gasstroom kan bijvoorbeeld uit een chemische installatie afkomstig zijn en ten eerste wisselen in 5 omvang en ten tweede wisselen in samenstelling. Onder samenstelling wordt hoofdzakelijk verstaan de verhouding lucht/brandstof. Deze brandstof zal in het algemeen gasvormige componenten omvatten welke op milieuvriendelijke wijze afgevoerd dienen te worden.

Sturing 20 is via leiding 29 verbonden met een detector 28 in de toevoer voor 10 primaire brandstof om het al dan niet aanwezig zijn van damp te detecteren. Met 24 is een buffer aangegeven in de toevoer voor primaire brandstof.

De toevoer voor primaire brandstof wordt met behulp van een met 23 aangegeven driewegklep verwezenlijkt. Deze is stroomafwaarts verbonden met de inlaat van de inwendige verbrandingsmotor en stroomopwaarts bovendien verbonden met de 15 luchtinlaat 8 en het luchtfilter 9. In de hierboven geschetste situatie waarbij het mengsel afkomstig uit leiding 27 stoichiometrisch is zal de driewegklep de toevoer van lucht via leiding 8 blokkeren waardoor het niet langer nodig is hulpbrandstof toe te voeren omdat het aan de verbrandingsmotor toegevoerde mengsel precies stoichiometrisch is, of, indien het mengsel uit leiding 27 onderstoichiometrisch is, slechts een kleine 20 hoeveelheid secundaire brandstof via klep 22 behoeft te worden toegevoerd..

De werking van het stelsel getoond in fig. 1 is grafisch in fig. 2 verder verduidelijkt. Verticaal is in fig. 2a-c de hoeveelheid doorgelaten gas weergegeven.

Met doorgetrokken lijn is de hoeveelheid primair gas aangegeven terwijl met stippellijn de hoeveelheid hulpbrandstof weergegeven is.

25 Horizontaal is de tijd aangegeven.

Op het tijdstip tO wordt de inwendige verbrandingsmotor opgestart waarbij de driewegklep 23 zodanig geschakeld is dat geen gas uit leiding 27 aan de inwendige verbrandingsmotor toegelaten wordt. Met behulp van detector 18 wordt bepaald of een dergelijk gas aanwezig is. De motor draait op het tijdstip tO uitsluitend op secundaire 30 brandstof zoals met de stippellijnen aangegeven is. Op het tijdstip tl wordt de aanwezigheid van gas in de primaire leiding geconstateerd.

In fig. 2a bestaat deze damp of gas in hoofdzaak uit lucht. De driewegklep 23 wordt zodanig gestuurd dat de luchttoevoer gesloten wordt en lucht uitsluitend 10 1 1844 7 onttrokken wordt aan leiding 27. De hoeveelheid hulpbrandstof blijft vanzelfsprekend ongewijzigd.

Bij de bedrijfssituatie getoond in fig. 2b bevat het primaire gas weliswaar brandstoffen maar deze zijn in onvoldoende hoeveelheid aanwezig om in volledig 5 bedrijf van de verbrandingsmotor te voorzien. Daarbij wordt net zoals in fig. 2a de luchttoevoer volledig afgesloten en wordt het te arme mengsel aan de verbrandingsmotor toegevoerd. Toevoer van hulpbrandstof is noodzakelijk maar de hoeveelheid ervan is minder dan in fig. 2a.

Tot slot wordt in fig. 2c de toestand weergegeven waarbij het primaire gas meer 10 brandstof bevat dan voor een stoichiometrisch mengsel nodig zou zijn. In eerste instantie wordt bij het constateren van de aanwezigheid van gas in de leiding 27 driewegklep zodanig gestuurd dat de leiding 27 geopend en verbonden wordt met de inwendige verbrandingsmotor en de luchttoevoer via inlaat 8 gesloten wordt. Tegelijkertijd vindt vermindering van de toevoer van hulpbrandstof plaats. Indien de 15 toevoer van hulpbrandstof het minimum, d.w.z. nul, bereikt heeft schakelt de gesloten regelkring over naar in dit geval de driewegklep 23. De verhouding lucht door inlaat 8 en gas door leiding 27 wordt zodanig gestuurd dat een stoichiometrisch mengsel verkregen wordt. Het slingerende rechterdeel van fig. 2c geeft het regelen aan.

Begrepen zal worden dat de driewegklep 23 vervangen kan worden door twee 20 kleppen; een klep in inlaat 8 en een klep in leiding 27. Verdere wijzigingen in de hierboven beschreven stelsels zullen voor degenen bekwaam in de stand der techniek duidelijk zijn. De zojuist beschreven stelsels zijn slechts uitvoeringsvoorbeelden van de uitvindingsgedachte zoals weergegeven in bijgaande conclusies.

1011844

Claims (7)

1. Brandstoftoevoerstelsel voor een smoorklep geregelde inwendige 5 verbrandingsmotor, omvattende een inlaatleiding voor het aan die motor toevoeren van een lucht-brandstofmengsel, waarin een smoorklep is aangebracht, waarbij op die inlaatleiding aangesloten zijn een toevoer voor primaire brandstof en een toevoer voor secundaire brandstof, waarbij sensormiddelen aanwezig zijn, die de verbrandingsomstandigheden van die inwendige verbrandingsmotor bepalen, welke 10 verbonden zijn met een sturing waarmee een regelafsluiter voor de secundaire brandstof gestuurd wordt, met het kenmerk, dat ten minste een verdere regelafsluiter (23) aangebracht is in het luchtinlaatkanaal stroomopwaarts van die smoorklep (3) welke regelafsluiter door die sturing (20) gestuurd wordt.

2. Brandstoftoevoerstelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk dat in die toevoer 15 voor primaire brandstof een regelafsluiter is aangebracht.

3. Brandstoftoevoerstelsel volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat die verdere afsluiter een driewegklep omvat.

4. Brandstoftoevoerstelsel volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat die sensormiddelen een λ-sensor omvatten die in de uitlaat (4) van die 20 motor aangebracht is.

5. Werkwijze voor het bereiden van een aan een smoorklep geregelde inwendige verbrandingsmotor toe te dienen lucht/brandstofmengsel, waarbij een onregelmatige toevoer primaire, eventueel brandstof bevattende, stroomgas en eventueel een toevoer secundaire brandstof aan die verbrandingsmotor toegevoerd 25 worden, waarbij de verbrandingsomstandigheden van die inwendige verbrandingsmotor met een sensor bepaald worden en door die sensor gestuurd, de toevoer van secundaire hulpbrandstof aan de hand daarvan geregeld wordt, waarbij de toegevoerde mengselstroom met die smoorklep gedoseerd wordt, met het kenmerk, dat de toegevoerde luchtstroom afzonderlijk geregeld wordt door die 30 sensor.

6. Werkwijze volgens conclusie 5, waarbij de primaire stroom gas aan die verbrandingsmotor geregeld wordt. 1011844

7. Werkwijze volgens een van de conclusies 5 of 6, met hel kenmerk dat die regeling zodanig uitgevoerd is, dat de toevoer secundaire hulpbrandstof zoveel mogelijk beperkt wordt en de primaire stroom gas zoveel mogelijk niet belemmerd wordt. 1011844