PL223578B1 - Sposób i instalacja do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i instalacja do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, mająca zastosowanie we wszelkiego rodzaju poja zdach lądowych oraz urządzeniach wyposażonych w silniki tłokowe, pracujących na paliwach węglowodorowych.

Znane obecnie sposoby spalania paliw przy udziale pary wodnej, pozyskiwanej głównie z wież nawilżających oraz podgrzewaczy wody, polegają na zabudowach instalacji parowych, na kolektorach ssących silnika, bądź na wprowadzeniu pary wodnej bezpośrednio do komory spalania. Znane są również układy do spalania paliw z udziałem pary wodnej z dodatkiem alkoholu bądź łatwopalnych ciał stałych, realizowane w formie instalacji z zabudowanym na układzie wydechowym z zespołem do wytwarzania pary w skład, którego wchodzi podgrzewacz, zbiornik wody oraz króciec nadmuchu powietrza.

Przykładem takich rozwiązań jest patent nr PL-207344, w którym sposób spalania paliw przy udziale pary wodnej polega na tym, że do komory spalania podawana jest para wodna oraz ewentualnie sprężone powietrze i dodatki polepszające spalanie, przy czym sposób charakteryzuje się tym, że w początkowej fazie prowadzi się proces spalania paliw bez udziału pary wodnej, a następnie po rozgrzaniu komory spalania do właściwej temperatury pracy, wprowadza się do niej początkowo stopniowo, a następnie w sposób ciągły z możliwością regulacji, parę wodną, korzystnie przegrzaną lub suchą, której korzystnie nadaje się zwiększoną prędkość przepływu. Prędkość tę zwiększa się poprzez przedmuch pary gorącym, sprężonym powietrzem. Ciecz, z której wytwarzana jest para zawiera alkohol, w ilości od 3 do 12%. Ewentualne dodatki w postaci pylistych, łatwopalnych ciał stałych, wprowadza się w dowolnym momencie przebiegu procesu spalania, korzystnie w trakcie dozowania pary.

Układ do spalania paliw przy udziale pary wodnej, według patentu nr PL-207344, zawiera zespół do wytwarzania pary, w skład, którego wchodzi podgrzewacz wody, zbiornik wody oraz układ nadmuchu sprężonego powietrza. Zbiornik cieczy połączony jest z układem wytwarzania i przepływu pary, który usytuowany jest korzystnie w miejscu przepływu spalin silnika i połączony jest z kolektorem ssącym silnika. Układ ten połączony jest dodatkowo z zespołem nadmuchu gorącego, sprężonego powietrza, zaś kolektor ssący silnika połączony jest z podajnikiem pylistego ciała stałego.

Sposób i urządzenie do zasilania parą wodną powietrza wlotowego do silnika o spalaniu wewnętrznym jest przedmiotem patentu PCT nr WO/9523286, w którym powietrze podaje się do silnika i w którym powietrze wlotowe kontaktuje się z płynem w wieży nawilżającej, a zasilanie parą jest realizowane równocześnie z podawaniem powietrza wlotowego. Płyn z wieży nawilżającej przepływa w przeciwnym kierunku do powietrza wlotowego. Sposób ten charakteryzuje się tym, że powietrze wlotowe spręża się przed nawilżeniem parą, a płyn przed dodaniem go do wieży nawilżającej, podgrzewa się ciepłem pochodzącym z silnika. Z tego samego opisu patentowego znane jest urządzenie do zasalania parą powietrza wlotowego do silnika o spalaniu wewnętrznym, obejmujące wieżę nawilżającą oraz podgrzewacz wstępny, który podłączony jest do obiegu wody chłodzącej silnik i do wlotu wieży nawilżającej. Wlot wieży nawilżającej przyłączony jest do sprężarki sprężającej powietrze, połączonej z silnikiem.

Z wyłożenia opisu patentowego nr PL-349083, znany jest sposób spalania paliw z udziałem wody, w którym do cylindra, w którym panuje podwyższone ciśnienie, doprowadza się przegrzaną parę wodną pod własnym ciśnieniem, w wyniku, czego następuje równoczesne spalanie substancji ciekłych lub gazowych oraz przegrzanej pary wodnej, wprowadzonej do komory spalania.

Znany jest również z wyłożenia opisu patentowego nr P-381186, sposób optymalizacji spalania paliw, zwłaszcza w systemach z silnikami z wewnętrzną komorą spalania, polegający na wprowadzaniu do komory spalania silnika wraz z powietrzem pary wodnej i emulgatora. Parę wodną, korzystnie wraz z emulgatorem, wprowadza się do kolektora dolotowego powietrza silnika, impulsowo przed podaniem paliwa i po przekroczeniu przez czynnik chłodzący silnika temperatury 60°C, przy czym w trakcie jednego cyklu napełniania komory spalania silnika następuje co najmniej jeden, a najlepiej dwa impulsy wprowadzające. Układ do optymalizacji spalania paliw, zwłaszcza w systemach z silnikami z wewnętrzną komorą spalania, zawiera zbiornik wody, wymuszające przepływ płynu źródło, wymiennik ciepła, przewody przepływowe oraz doprowadzenie pary wodnej i emulgatora do komory spalania silnika. Układ ma co najmniej dwa wymienniki ciepła, usytuowane na układzie wydechowym silnika tak. że kierunek przepływu wody pomiędzy nimi odbywa się przeciwnie do kierunku przepływu spalin przez te wymienniki. Przed wymiennikami i za każdym z nich, za wyjątkiem ostatniego, wpięty

PL 223 578 B1 jest ograniczający przepływ wody element, korzystnie elektrozawór. Przewód, doprowadzający parę wodną i emulgator do komory spalania silnika, dołączony jest do kolektora dolotowego powietrza silnika.

Przykład urządzenia do zasilania parą wodną powietrza wlotowego do silników, ujawnia patent amerykański nr US 4632067, w którym do urządzenia podawana jest para wodna, wytworzona przez bezpośredni kontakt wody z elementem grzewczym, dzięki czemu para wodna jest mieszana z powi etrzem, doprowadzanym do silnika. Ten sposób odparowania wody wymaga dostarczenia stosunkowo dużej ilości energii, a regulacja ilości dostarczonej pary wodnej jest utrudniona, ponieważ para musi być podana w ilościach prawidłowo uzależnionych od objętości powietrza, aby zoptymalizować przebieg reakcji i aby przepływ powietrza wlotowego mógł być zmieniony w ciągu krótkiego czasu.

Problem spalania paliw wodnych, jako alternatywnego sposobu zmniejszenia zużycia paliw i emisji spalin w silnikach, stał się również próbą opisu, zgłoszonego za numerem P-385723 wynalazku, w którym istotą jest zamiana nadmiaru części ciepła wytwarzanego w kolorze spalania silnika na energię mechaniczną poprzez zamianę wody podawanej do komory spalania na parę i wprowadzenie do pracy rozprężającej się pary wraz z rozprężającymi się spalinami. Cechą znamienną wynalazku jest podawanie do komory spalania silnika wody w odpowiednich fazach pracy silnika, w odpowiednich dozach i w odpowiedniej formie oraz wyposażenie silnika w urządzenie do podawania wody do jego komory.

Znane są również, w tym z francuskiego opisu patentowego nr FR 2943734 sposoby i układy do spalania mieszanek paliwowych z użyciem pary wodnej wytworzonej w procesach katalitycznego reformingu. Urządzenie do katalitycznego reformowania parą wodną, według francuskiego patentu jest umieszczone w pętli recyrkulacji spalin. W silnikach cieplnych, powietrze pobierane z zewnątrz wchodzi do wlotu powietrza, a paliwo jest wtryskiwane do cylindrów. Mieszanka paliwowo-powietrzna jest zapalana i spalone gazy kierowane są do obiegów gazów spalinowych przez kolektor wydechowy. Usuwanie części gazu wylotowego na wylocie kolektora wydechowego z pętli recyrkulacyjnej, realizowane jest przez wstrzyknięcie do kolektora wlotowego powietrza. Reformowanie paliwa otrzymuje się przez reakcję cząsteczek paliwa z wodą i/lub powietrza w celu wytworzenia wodoru. Według wynalazku, sposób regeneracji katalitycznej reformingu parowego obejmuje podział strumienia zawracanego w obiegu gazów spalinowych na dwie gałęzie oraz wprowadzenia do układu katalitycznego reformowania, pary w każdej z dwóch gałęzi. Przy czym jednostka katalizatora jest utworzona przez dwa układy katalityczne połączone równolegle - wtrysku paliwa i powietrza oraz modulowanie strumienia powietrza i/lub paliwa. Reakcja reformingu parowego, polega na wytworzeniu atomu wodoru w trybie reformingu regeneracji. Te układy katalityczne mogą zawierać jeden lub więcej katalizatorów, powodujących reakcje w obecności oleju i wody. Katalizatory są zazwyczaj oparte na metalach szlachetnych, takich jak rod lub platyna. Obecna w spalinach para wodna jest zasadniczo wystarczająca do reakcji reformingu parowego.

Najpoważniejszą wadą znanych rozwiązań jest duża ingerencja w układ spalinowy silnika lub wręcz przebudowa układu wydechowego, w celu zabudowy dodatkowych zbiorników na mieszankę paliw bądź emulsji, do których trafia całość spalin wytwarzanych w czasie pracy silnika. Wiąże się to z niebezpiecznym przyrostem temperatury mieszanki powstałej z wody i paliwa, co wymusza koniec zność stosowania zaworów ciśnieniowych. Poza tym dodatkowe grzałki elektryczne do podgrzania wytwornic pary czy wymienników, znacznie rozbudowują układy, komplikując ich budowę i działanie.

Problemy te rozwiązuje wynalazek, którego treścią jest sposób i instalacja do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania.

Sposób dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, polegający na wprowadzeniu do układu paliwowego silnika pary wodnej pochodzącej z wytworn icy pary z dodatkiem wodoru powstałego w procesie katalitycznego reformingu parowego spalin, charakteryzuje się tym, że kierowane z rury wydechowej spaliny do miedzianej wężownicy wymiennika ulegają na katalizatorze miedziowym procesowi niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla z wodą z wydzieleniem CO₂ i H₂. Spaliny te przechodząc przez bezprzeponowy parownik, jako opary będące mieszaniną spalin, pary, drobin wody oraz CO₂ i H₂ z reakcji konwersji, kierowane są impulsowo na elektrozaworze do komory reaktora, w której podgrzane ciepłem spalin i reakcji konwersji w wymienniku, ulegają na dyszach reaktora przyspieszeniu, homogenizacji i w reaktorze jonizacji, osłabiającej wiązania atomowe wody. Wychodzące z komory reaktora spaliny, w postaci pary nasyconej suchej, wprowadzane są do kolektora wlotowego komory spalania silnika.

Instalacja do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, będąca w postaci układu zawierającego zabudowaną na ciągu wylotowym spalin, wytworni4

PL 223 578 B1 cę pary jako podgrzewacza wody połączonego ze zbiornikiem cieczy oraz kolektorem nadmuchu sprężonego powietrza, charakteryzuje się tym, że na przewodzie dolotowym układu instalacji połącz onym z rurą wydechową silnika, zabudowany jest reaktor zintegrowany z wymiennikiem konwersji, będącym w postaci miedzianej wężownicy nawiniętej na komorę reaktora. Wężownica wymiennika konwersji oraz wlot komory reaktora połączone są przewodem spalinowym oraz przewodem parowym, na którym zainstalowany jest zawór elektromagnetyczny z bezprzeponowym parownikiem, natomiast wylot komory reaktora od strony silnika, połączony jest z kolektorem dolotowym silnika, kanałem wylotowym. Parownik połączony jest z kolektorem dolotowymi silnika przewodem kalibrowanym.

Instalacja do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, według wynalazku jest zwartym układem, łatwo montowanym na zespole wydechowym siln ika oraz kolektorze dolotowym komory silnika. W każdej chwili, bez szczególnych trudności nadaje się do szybkiego demontażu. Stanowi ona zintegrowany układ, nieingerujący w konstrukcję zespołu paliwowego, dolotowego i wydechowego pojazdu. Doprowadzona do mieszanki paliwowej woda, w postaci pary z dodatkiem wodoru, efektywnie zwiększa sprawność silnika, poprzez odzyskiwanie spalin oraz przerobienie wody zawartej w spalinach na produkty, które ulegają spaleniu. Rozwiązanie to pozwala przygotować wodę zdemineralizowaną do zaistnienia endotermicznej reakcji gazyfikacji produktów spalania bezpośrednio w komorze spalania, a doprowadzone do wymiennika spaliny zapewniają egzotermiczną reakcję w komorze reaktora. Zwiększenie energii i odzyskanie spalin wpływa na efektywność spalania mieszanki, co skutkuje polepszeniem składu spalin poprzez zmniejszenie ilości cząstek stałych, w wyniku ich dopalenia, zmniejszenia tlenków azotu, obniżenia temperatury czoła płomienia oraz odzyskanie części tlenku węgla do niskotemperaturowej konwersji z parą wodną. Be zpośrednio wpływa to na zmniejszenie zużycia paliwa standardowego. Instalacja, według wynalazku jest układem autonomicznym, wykorzystującym do swej pracy ciepło odpadowe zawarte w spalinach. Instalacja ta pozwala odzyskać energię potrzebną do odparowania, z energii odpadowej powstałej w procesie spalania w silniku, czyli energii, która ze względu na stopień sprawności silnika nie została przetworzona na energię mechaniczną. Instalacja prowadzi do obniżenia poziomu hałasu silnika, poprzez poprawę procesu spalania.

Przykład realizacji sposobu dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, według wynalazku, zilustrowanym rysunkiem, fig. 1, polega na tym, że spaliny o zawartości N₂ 7,2%, H₂O 13%, CO₂ 12%, CO 0,9% i części pozostałych 3%, o temperaturze około 400°C kierowane są, zbocznikowanym przewodem 3, z rury wydechowej 2, do miedzianej wężownicy 5 wymiennika 4, gdzie w temperaturze 200°C, na katalizatorze miedziowym ulegają procesowi niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla z wodą, z wydzieleniem CO₂ i H₂, zgodnie z reakcją CO + H₂O = CO₂ + H₂. Reakcja ta na wymienniku 4 ma charakter egzotermiczny. Dalej, spaliny te o temperaturze 100°C, przechodząc przez bezprzeponowy parownik 9, już jako opary, będące mieszaniną spalin, pary, drobin wody oraz CO₂ i H₂ z reakcji konwersji, kierowane są impulsowo na elektrozaworze 16 do komory reaktora 6, w której podgrzane do temperatury 200°C ciepłem spalin i ciepłem reakcji konwersji w wymienniku 4, ulegają w reaktorze jonizacji, a na dyszach reaktora 7 przyspieszeniu i homogenizacji, osłabiającej wiązania atomowe wody. Wychodzące z komory 6 reaktora 7 spaliny w postaci pary nasyconej suchej, wprowadzane są kanałem wylotowym 11 i kolektorem dolotowym 12 do spalania silnika 1.

Przykłady wykonania instalacji do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, w wariantach, według wynalazku, przedstawia rysunek, fig. 1, fig. 2 i fig. 3.

Zgodnie z fig. 1, instalacja wykonana jest w postaci układu zawierającego zabudowany na zbocznikowanym 3 ciągu wylotowym spalin 2, reaktor 7 zintegrowany z wymiennikiem konwersji 4, będącym w postaci miedzianej wężownicy 5 nawiniętej spiralnie na komorę 6 reaktora 7. Wężownica 5 wymiennika konwersji 4 oraz wlot komory 6 reaktora 7 połączone są przewodem spalinowym 8 oraz przewodem parowym 10 na którym zainstalowany jest zawór elektromagnetyczny 16 z bezprzeponowym parownikiem 9, natomiast wylot komory 6 reaktora 7 od strony układu paliwowego silnika 1, połączony jest z kolektorem dolotowym 12 silnika 1 kanałem wylotowym 11. Parownik 9 połączony jest systemem zaworów 13 ze zbiornikiem wody 14 oraz przewodem kalibrowanym 15 z kolektorem dolotowym 12 silnika 1.

Zgodnie z fig. 2 instalacja wykonana jest w postaci układu zawierającego zabudowany na zbocznikowanym 3 ciągu wylotowym spalin 2, reaktor 7 zintegrowany z wymiennikiem konwersji 4. będącym w postaci miedzianej wężownicy 5 nawiniętej spiralnie na komorę 6 reaktora 7. Wężownica 5 wymiennika konwersji 4 oraz wlot komory 6 reaktora 7 połączone są przewodem spalinowym 8 oraz

PL 223 578 B1 przewodem parowym 10 z bezprzeponowym parownikiem 9, natomiast wylot komory 6 reaktora 7 od strony układu paliwowego silnika 1, połączony jest z kolektorem dolotowym 12 silnika 1 kanałem wylotowym 11. Parownik 9 połączony jest systemem zaworów 13 ze zbiornikiem wody 14 oraz kanałem wylotowym 11 z kolektorem dolotowym 12 silnika 1.

Zgodnie z fig. 3 instalacja wykonana jest w postaci układu zawierającego zabudowany na zbocznikowanym 3 ciągu wylotowym spalin 2, reaktor 7 zintegrowany z wymiennikiem konwersji 4, będącym w postaci miedzianej wężownicy 5 nawiniętej spiralnie na komorę 6 reaktora 7. Wężownica 5 wymiennika konwersji 4 oraz wlot komory 6 reaktora 7 połączone są przewodem spalinowym 8 oraz przewodem parowym 10 z bezprzeponowym parownikiem 9, natomiast wylot komory 6 reaktora 7 od strony układu paliwowego silnika 1, połączony jest z kolektorem dolotowym 12 silnika 1 kanałem wylotowym 11. Parownik 9 połączony jest systemem zaworów 13 ze zbiornikiem wody 14 oraz przewodem kalibrowanym 15 z kolektorem dolotowym 12 silnika 1.

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, polegający na wprowadzeniu do układu paliwowego silnika pary wodnej pochodzącej z wytwornicy pary z dodatkiem wodoru powstałego w procesie katalitycznego reformingu parowego spalin, znamienny tym, że kierowane z rury wydechowej (2) spaliny do miedzianej wężownicy (5) wymiennika (4) ulegają na katalizatorze miedziowym procesowi niskotemperaturowej konwersji tlenku węgla z wodą z wydzieleniem CO₂ i H₂, po czym przechodząc przez bezprzeponowy parownik (9) jako opary będące mieszaniną spalin, pary, drobin wody oraz CO₂ i H₂ z reakcji konwersji, kierowane są impulsowo na elektrozaworze (16) do komory (6) reaktora (7), w której podgrzane ciepłem spalin i reakcji konwersji w wymienniku (4), ulegają w reaktorze jonizacji, a na dyszach reaktora (7) przyspieszeniu, homogenizacji, osłabiającej wiązania atomowe wody, a następnie w postaci pary nasyconej suchej, wprowadzane są do kolektora wlotowego (12) komory spalania silnika (1).
2. 2. Instalacja do dostarczania wody lub innej pary do powietrza wlotowego silnika wewnętrznego spalania, będąca w postaci układu zawierającego zabudowaną na ciągu wylotowym spalin, wytwornicę pary, jako podgrzewacza wody połączonego ze zbiornikiem cieczy oraz kolektorem nadmuchu sprężonego powietrza, znamienna tym, że na przewodzie dolotowym (3) układu instalacji połączonym z rurą wydechową silnika (1), zabudowany jest reaktor (7) zintegrowany z wymiennikiem konwersji (4), będącym w postaci miedzianej wężownicy (5) nawiniętej na komorę (6) reaktora (7), przy czym wężownica (5) wymiennika konwersji (4) oraz wlot komory (6) reaktora (7) połączone są przewodem spalinowym (8) oraz przewodem parowym (10) z bezprzeponowym parownikiem (9), natomiast wylot komory (6) reaktora (7) od strony układu paliwowego silnika (1), połączony jest z kolektorem dolotowym (12) silnika (1) kanałem wylotowym (11).
3. 3. Instalacja według zastrz. 2, znamienna tym, że parownik (9) połączony jest z kolektorem dolotowym (12) silnika (1), przewodem kalibrowanym (15).
4. 4. Instalacja według zastrz. 1, znamienna tym, że na przewodzie paliwowym (10), łączącym reaktor (7) z parownikiem (9) zainstalowany jest zawór elektromagnetyczny (16).