PL221270B1 - Sposób zmniejszenia emisji cząstek stałych w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób zmniejszenia emisji cząstek stałych w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym.

Problem emisji cząstek stałych w spalinach jest szeroko dyskutowany z uwagi na ich kancerogenne i mutagenne właściwości. Istnieje wiele sposobów ograniczenia emisji cząstek stałych w spalinach silników z zapłonem samoczynnym, ale zwykle wiążą się one ze stratami energetycznymi. Ponadto, obniżeniu cząstek stałych w spalinach często towarzyszy wzrost emisji tlenków azotu. Dotychczasowa tendencja w rozwoju silników spalinowych na świecie, dąży do obniżenia większej ilości szkodliwych tlenków azotu, natomiast w odniesieniu do emisji cząstek stałych przewiduje zastosowanie filtrów z ciągłą regeneracją. Jednakże, zasadniczymi problemami stosowania filtrów cząstek stałych, są prócz ich wysokich kosztów i skomplikowanych układów do ciągłej regeneracji, przede wszystkich pozostałości substancji popielistych po okresowym wypalaniu cząstek. Powoduje to konieczność wymiany filtru na nowy, po stosunkowo krótkim okresie użytkowania. W związku z tym, niezwykle pożądane jest obniżenie emisji cząstek stałych już na etapie spalania w cylindrze silnika spalinowego.

Z japońskiego opisu zgłoszeniowego nr JP62113822 znany jest sposób bardziej efektywnego wykorzystania już istniejącego powietrza w komorze spalania silnika, w czasie spalania dyfuzyjnego oraz przyspieszenia czasu spalania poprzez powtórny wtrysk paliwa do komory, za pomocą specjalnego zaworu z dyszą o odpowiednim kącie rozpylania.

Z chińskiego opisu zgłoszeniowego nr CN101818712 znany jest sposób ulepszonego wykorzystania powietrza w silniku o zapłonie samoczynnym oraz zmniejszenia ilości emisji cząstek stałych. Idea tego rozwiązania polega na zastosowaniu wielootworowego wtryskiwacza paliwa o różnych kątach i zasięgu wtrysku.

Z innego japońskiego opisu zgłoszeniowego nr JP6248952 znany jest sposób zmniejszenia zadymienia spalin oraz emisji cząstek stałych. Zgodnie z tym rozwiązaniem powietrze jest mieszane z gazami spalinowymi w strudze powietrza, w specjalnej komorze spalania. Proces wymieszania następuje na wczesnym etapie spalania, w trakcie wtrysku paliwa do komory.

Z japońskiego opisu zgłoszeniowego nr JP11153043 znany jest sposób redukcji emisji spalin poprzez dostarczenie dodatkowej porcji czystego powietrza z mechanicznej sprężarki, w trakcie dużego obciążenia silnika. Rozwiązanie zapewnia globalny wzrost ilości powietrza w całym cyklu pracy silnika.

Z innego japońskiego opisu zgłoszeniowego nr JP62267519 znany jest sposób zmniejszenia ilości czarnego dymu (w tym również cząstek stałych) w silniku o zapłonie samoczynnym poprzez wysokociśnieniowe doprowadzenia powietrza do komory spalania w momencie wtrysku paliwa, w celu osiągnięcia większego zawirowania powietrza i rozproszenia strugi paliwa. W wyniku wymieszania z tlenem następuje polepszenie spalania dyfuzyjnego.

Celem wynalazku było opracowanie sposobu zmniejszenia emisji cząstek stałych w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym jeszcze w fazie spalania dyfuzyjnego, w cylindrze silnika przy jednoczesnym braku emisji nowych cząstek tlenków azotu.

Sposób zmniejszenia emisji cząstek stałych w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym, według wynalazku, w fazie spalania dyfuzyjnego w cylindrze silnika, charakteryzuje się tym, że w końcowej fazie spalania dyfuzyjnego, po zakończeniu wtrysku paliwa, dostarcza się do cylindra silnika ukierunkowaną strugę powietrza w obszary spalania o najmniejszej zawartości tlenu. Natomiast dodatkową porcję powietrza wtryskuje się za pomocą niezależnego zaworu, usytuowanego w głowicy silnika.

Korzystnie, zawór wtrysku powietrza, umieszczony w głowicy silnika, otwiera się i zamyka się synchronicznie z obrotem wału korbowego silnika.

Korzystnie, zawór wtrysku powietrza wyzwala się elektromagnetycznie czujnikiem kąta obrotu wału korbowego silnika.

Korzystnie, dodatkową porcję powietrza podaje się pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie panujące wówczas w cylindrze silnika.

Korzystnie, wartość ciśnienia wtryskiwanej porcji powietrza jest dwukrotnie wyższa niż ciśnienie panujące wówczas w cylindrze silnika.

Korzystnie, początkiem oraz czasem wtrysku dodatkowej porcji powietrza steruje moduł takiego samego typu jak sterownik zaworu paliwa.

PL 221 270 B1

Sposób zmniejszenia emisji cząstek stałych w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym, według wynalazku, poprzez podanie dodatkowej porcji powietrza do cylindra pod koniec fazy spalania dyfuzyjnego, powoduje dopalenie sadzy, pozostałych produktów niecałkowitego i niezupełnego spalania w obszarach z deficytem tlenu, a skutkiem tego zmniejszenie emisji cząstek stałych w spalinach silnika. Temperatura w tych obszarach jest jeszcze wystarczająca do zapłonu sadzy, lecz zbyt niska do wytworzenia się nowych tlenków azotu.

Sposób według wynalazku został uwidoczniony na rysunku przedstawiającym przebieg wtrysku i spalania paliwa w silniku, na którym fig. 1 przedstawia wykres zależności prędkości wtrysku paliwa (dQ/d<I>) i ilości paliwa (q) od kąta obrotu wału korbowego (⁰OWK), masy (m_p) paliwa ciekłego i masy paliwa odparowanego od kąta obrotu wału korbowego (⁰OWK), wartości ciśnienia w cylindrach (pc) od kąta obrotu wału korbowego (⁰OWK), temperatury spalania (Ts) od kąta obrotu wału korbowego (⁰OWK), prędkości wywiązywania się ciepła (dQ/da) i ilości ciepła wywiązanego od kąta obrotu wału korbowego (⁰OWK) oraz stężenia tlenu w cylindrze (O2) od kąta obrotu wału korbowego (⁰OWK).

Z przedstawionego wykresu przebiegu spalania wynika, że tworzące się cząstki stałe PM w czasie spalania dyfuzyjnego, mogą ulec w dalszym czasie - dla późniejszych kątów obrotu wału korbowego silnika OWK - dopaleniu jeszcze w cylindrze silnika. Temperatura środowiska w cylindrze jest jeszcze dostatecznie wysoka do spalania sadzy (temperatura samozapłonu sadzy wynosi około Ts=660°C). Ponadto, jak wynika z wykresu, średnia zawartość tlenu w czynniku roboczym gwałtownie się obniża wskutek spalania paliwa. Z uwagi na to, że mieszanina paliwowo-powietrzna w konwencjonalnym silniku wysokoprężnym jest heterogeniczna, zawartość tlenu w cylindrze jest również niejednorodna. W strefach wypalania paliwa, gdzie dostępnego tlenu jest najmniej (lub nie ma go wcale) tworzą się cząstki stałe PM.

W jednym z praktycznych przykładów realizacji wynalazku, pod koniec spalania dyfuzyjnego, po zakończeniu wtrysku paliwa, do cylindra silnika podawana jest ukierunkowana struga powietrza w obszary o najmniejszej zawartości tlenu. Zawór wtrysku powietrza usytuowany jest w głowicy silnika i podobnie jak zawór paliwa, otwierany i zamykany jest synchronicznie z obrotem wału korbowego silnika. Zatem przy określonym kącie obrotu wału korbowego silnika, w końcowej fazie spalania dyfuzyjnego, następuje otwarcie niezależnego zaworu wtrysku powietrza, podającego ukierunkowaną strugę powietrza w obszary spalania, w których tlenu jest najmniej.

Dodatkowa porcja powietrza podawana jest pod ciśnieniem wyższym niż panujące wówczas w cylindrze silnika. Jak pokazano na rysunku, dla omawianego kąta obrotu wału korbowego silnika OWK - dla średniej prędkości obrotowej i przy częściowym obciążeniu silnika - ciśnienie w cylindrze silnika zmienia się od około 40 do 20 bar. Zatem ciśnienie powietrza w zasobniku przed zaworem wtrysku powietrza jest stałe i wynosi około 60-80 bar. Wtrysk powietrza jest wyzwalany elektromagnetycznie czujnikiem kąta obrotu wału korbowego silnika. Początek wtrysku powietrza - podobnie jak początek wtrysku paliwa - jest zależny od prędkości obrotowej i obciążenia silnika. W przedstawionym na rysunku przykładzie dla silnika badawczego, początek wtrysku powietrza wynosi a_pw__pow=10°OWK po górnym martwym położeniu tłoka GMP - tuż po maksymalnej prędkości spalania dyfuzyjnego. Natomiast koniec wtrysku powietrza określa koniec spalania w trybie konwencjonalnym i wynosi a_kw__pow=50°OWK po górnym martwym położeniu tłoka GMP. Czas wtrysku powietrza jest więc dwukrotnie większy niż paliwa (a_wt__pak=50°OWK). Początkiem oraz czasem wtrysku powietrza steruje moduł takiego samego typu jak sterownik zaworu paliwa. Sprężone powietrze pod ciśnieniem 60-80 bar, magazynowane jest w zasobniku przed zaworem powietrza z wysokociśnieniową pompą powietrza.

Badania przeprowadzono dla silnika o zapłonie samoczynnym (SB 3.1) przy prędkości obrotowej n=nmax= 1600 obr/min, obciążeniu silnika Mo = 50%, Mmax = 60 Nm.

Claims (6)

1. Sposób zmniejszenia emisji cząstek stałych w spalinach silnika o zapłonie samoczynnym, w fazie spalania dyfuzyjnego w cylindrze silnika, znamienny tym, że w końcowej fazie spalania dyfuzyjnego, po zakończeniu wtrysku paliwa, dostarcza się do cylindra silnika ukierunkowaną strugę powietrza w obszary spalania o najmniejszej zawartości tlenu, przy czym dodatkową porcję powietrza wtryskuje się za pomocą niezależnego zaworu, usytuowanego w głowicy silnika.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że zawór wtrysku powietrza, umieszczony w głowicy silnika, otwiera się i zamyka się synchronicznie z obrotem wału korbowego silnika.

PL 221 270 B1

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że zawór wtrysku powietrza wyzwala się elektromagnetycznie czujnikiem kąta obrotu wału korbowego silnika.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że dodatkową porcję powietrza podaje się pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie panujące wówczas w cylindrze silnika.

5. Sposób według zastrz. 4, znamienny tym, że wartość ciśnienia wtryskiwanej porcji powietrza jest dwukrotnie wyższa niż ciśnienie panujące wówczas w cylindrze silnika.

6. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 1 do 4, znamienny tym, że początkiem oraz czasem wtrysku dodatkowej porcji powietrza steruje moduł takiego samego typu jak sterownik zaworu