PL224005B1 - Sposób spalania mieszanki wodorowo-powietrznej w silniku o zapłonie iskrowym - Google Patents

Abstract

Sposób spalania mieszanki wodorowo - powietrznej polega na tym, że paliwo wodorowe wprowadzone jest do przestrzeni roboczej silnika wysokociśnieniowym wtryskiem bezpośrednim w jednej dawce lub w dawkach dozowanych w porcjach. Paliwo wprowadzane jest przed wyładowaniem iskrowym inicjującym zapłon oraz w trakcie trwania spalania zachodzącego w strefie dyfuzji masy wodoru do strefy powietrza i dyfuzji ciepła do strefy spalania. Równocześnie kontrolowane są prędkości wydzielania ciepła w trakcie spalania i wzrostu ciśnienia w przestrzeni roboczej silnika, a także regulowane są ilości składników do uzyskania mieszanki wodorowo - powietrznej ubogiej, bogatej lub stechiometrycznej, aż do prawie całkowitego wyczerpania tlenu zawartego w powietrzu zasysanym przez silnik.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób spalania mieszanki wodorowo-powietrznej w silniku o zapłonie iskrowym.

Silniki spalinowe z zapłonem iskrowym, zasilane jednorodną mieszanką wodorowo-powietrzną o wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ< 2, wykazują silne tendencje do spalania detonacyjnego. Spalanie detonacyjne jest niebezpieczne dla silnika ze względu na przeciążenie cieplne i mechaniczne elementów silnika. Z tego względu silniki zasilane są mieszanką ubogą w zakresie wartości współczynnika nadmiaru powietrza λ (6-2) w celu zapewnienia deflagracyjnego przebiegu spalania.

W konsekwencji stosowania mieszanki ubogiej nie ma możliwości osiągnięcia zadawalających parametrów roboczych silnika w porównaniu z silnikami z zapłonem iskrowym o tej samej pojemności skokowej zasilanych innymi paliwami na przykład benzyną czy gazem ziemnym.

Znane są ze stosowania dwa rodzaje sposobów dostarczania mieszanki wodorowo-powietrznej do przestrzeni roboczej silnika.

Do pierwszej grupy należą sposoby polegające na wytworzeniu mieszanki poza przestrzenią roboczą silnika i dostarczeniu jej w procesie dolotu. Wodór dostarczany jest do kanału dolotowego silnika za pomocą mieszalnika lub wtryskiwacza gazu. Metoda ta pozwala na uzyskanie jednorodnej mieszanki wodorowo-powietrznej już w fazie dolotu i następnie jej sprężenie i zapalenie od wyładowania iskrowego między elektrodami świecy zapłonowej. Metoda ta ma jednak wady, które w znaczny sposób wpływają na obniżenie parametrów roboczych silnika spalinowego z zapłonem iskrowym. Duży udział objętościowy wodoru w mieszance jest przyczyną zmniejszenia strumienia powietrza doprowadzanego do silnika powodując gorszy stopień wykorzystania objętości skokowej silnika. Uzyskanie większej mocy silnika wymaga wzbogacenia mieszanki. W przypadku przekroczenia krytycznej wartości współczynnika nadmiaru powietrza (λ około 2) istnieje możliwość wystąpienia spalania detonacyjnego ze wszystkimi negatywnymi tego konsekwencjami. Istnieje również możliwość zapalenia się mieszaniny wodorowo - powietrznej w kolektorze dolotowym silnika.

Do drugiej grupy sposobów zasilania zalicza się systemy wtrysku wodoru bezpośrednio do przestrzeni roboczej silnika. Tak wtryskiwane paliwo miesza się z powietrzem dostarczonym w fazie dolotu. Jeśli paliwo gazowe dostarczane jest w procesie sprężania do zamkniętej przestrzeni roboczej, to możliwe jest uzyskanie większej ilości ładunku w każdym procesie roboczym, co pozwala zwiększyć moc silnika. Jednak ten sposób wytwarzania ładunku nie eliminuje występowania zjawiska spalania detonacyjnego w przypadku przekroczenia krytycznej wartości współczynnika nadmiaru powietrza (λ około 2).

Z opisu patentowego PL210816 znany jest sposób zasilania paliwem gazowym silników spalinowych polegający na tym, że poprzez układ doprowadzania paliwa gazowego podaje się je do wtryskiwacza gazowego i dozuje się nim paliwo gazowe do układu dolotowego, przy czym energię elektryczną przekazuje się ze sterownika układu wtrysku paliwa ciekłego do wtryskiwacza paliwa gazowego.

Opis zgłoszenia patentowego nr P.395318 w Polsce przedstawia sposób wodorowego wspomagania spalania w tłokowym silniku spalinowym, polegający na tym, że z chwilą zwiększania prędkości pojazdu elektroniczna jednostka sterująca stopniowo uruchamia generator, po czym generuje się mieszaninę wodorotlenową, która przekazywana jest do dozownika. Dozownik dozuje odpowiednią dawkę gazu do kolektora dolotowego silnika, po czym mieszanina spala się w przestrzeni roboczej silnika. W przypadku jazdy równomiernej w generatorze produkuje się mieszaninę z maksymalną jego wydajnością, po czym mieszaninę przekazuje się przy pomocy dozownika, dozując odpowiednią dawkę do kolektora dolotowego i komory spalania silnika, po czym następuje jej spalenie. Przy zmniejszaniu prędkości pojazdu elektroniczna jednostka sterująca samoczynnie wyłącza generator i dozownik. Zainicjowanie pracy elektronicznej jednostki sterującej następuje po przekroczeniu wartości minimalnej prędkości obrotowej silnika i minimalnego napięcia w układzie pokładowego generowania energii elektrycznej, minimalnej wartości zapisanej w pamięci jednostki, bądź wprowadzanej ręcznie za pomocą specjalizowanego oprogramowania. Natomiast prędkość obrotową silnika wyznacza się na podstawie impulsu napięciowego na wtryskiwaczu paliwa, niezależnie od typu i rodzaju systemu zasilania silnika w paliwo, zaś czujnik ciśnienia umiejscowiony w przewodach gazowych monitoruje ciśnienie w generatorze, zapobiegając nadmiernemu jego wzrostowi.

Istota rozwiązania według wynalazku polega na tym, że paliwo wodorowe wprowadza się metodą wysokociśnieniowego wtrysku bezpośredniego do przestrzeni roboczej silnika w jednej dawce, która może być dozowana w porcjach, przed wyładowaniem iskrowym inicjującym zapłon i w trakcie

PL 224 005 B1 trwania spalania, które zachodzi w strefie dyfuzji masy wodoru do strefy powietrza, i dyfuzji ciepła do strefy spalania. W ten sposób kontroluje się prędkość wydzielania ciepła w trakcie spalania i prędkość wzrostu ciśnienia w przestrzeni roboczej silnika i reguluje ilość składników do uzyskania mieszanki wodorowo - powietrznej ubogiej, bogatej lub stechiometrycznej, której spalanie jest możliwe do prawie całkowitego wyczerpania tlenu zawartego w powietrzu zasysanym przez silnik do jego przestrzeni roboczej.

Przedstawione powyżej rozwiązanie wykorzystuje bardzo dobre właściwości dyfuzyjne wodoru, co zapewnia dobre, prawie całkowite spalanie mieszanki wodorowo - powietrznej i skutkuje osiągnięciem pełnej mocy silnika porównywalnej z mocą silnika o tej samej pojemności skokowej zasilanego benzyną.

Spalanie może być realizowane przy dużej wartości stopnia sprężania mieszanki stechiometrycznej, bogatej lub zubożonej z wykluczeniem możliwości spalania detonacyjnego w komorze spalania oraz ryzyka wystąpienia samozapłonu w kanale dolotowym silnika, umożliwia również oddziaływanie na wskaźniki robocze i ekologiczne silnika przez odpowiednią dystrybucję wodoru wtryskiwanego do przestrzeni roboczej silnika.

Przedmiot wynalazku przybliżony jest przykładem wykonania, który został przeprowadzony w skali laboratoryjnej w ramach pracy badawczej z zastosowaniem silnika RobinEc12D i porównany do pracującego w przemyśle silnika MAN E2876LE302 przystosowanego do wtryskowego zasilania wodorem przez wtrysk do kanałów dolotowych.

Punktem wyjścia do badań była charakterystyka wartości współczynnika nadmiaru powietrza silnika zasilanego wodorem i gazem ziemnym, przedstawiona poniżej w formie wykresu.

Przedstawione powyżej wyniki badań silnika zasilanego wodorem i gazem ziemnym jednoznacznie wskazują na możliwość zwiększenia mocy silnika przy zasilaniu mieszanką wodoru i powietrza o mniejszej wartości współczynnika nadmiaru powietrza. Ograniczeniem w prezentowanym przypadku jest wystąpienie spalania detonacyjnego przy wartości współczynnika nadmiaru powietrza około 2.

Drugim wskaźnikiem jest przedstawiona poniżej charakterystyka sprawności ogólnej silnika zasilanego wodorem i gazem ziemnym, według której przebieg sprawności w funkcji obciążenia silnika wskazuje na możliwość uzyskania korzystnych wartości sprawności ogólnej silnika w przypadku zwiększenia jego mocy.

PL 224 005 B1

Wodór dostarczany jest do przestrzeni roboczej silnika spalinowego przez wysokociśnieniowy wtryskiwacz elektromagnetyczny sterowany impulsem elektrycznym, którego zastosowanie pozwala na precyzyjne dawkowanie wodoru przy zapewnieniu odpowiedniej objętości jego strumienia, przy czym dawkowanie to jest stosowane przed wyładowaniem iskrowym inicjującym zapłon i w trakcie trwania spalania. Dystrybucja strumienia masy lub objętości wodoru jest tak prowadzona, aby kontrolować prędkość wzrostu ciśnienia w przestrzeni roboczej silnika, w efekcie czego regulacja strumienia wodoru zapobiega wystąpieniu efektu detonacyjnego. Spalanie zachodzi w strefie dyfuzji masy wodoru do strefy powietrza i dyfuzji ciepła do strefy spalania. Taki sposób dozowania wodoru i realizacji spalania pozwala na stosowanie mieszanki wodorowo-powietrznej ubogiej i stechiometrycznej bez obawy wystąpienia spalania detonacyjnego także przy dużej wartości stopnia sprężania, co pozwala na uzyskanie korzystnych wskaźników związanych z wydajnością i sprawnością silnika zasilanego wodorem.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób spalania mieszanki wodorowo - powietrznej w silniku spalinowym o zapłonie iskrowym, polegający na wtrysku paliwa wodorowego bezpośrednio do przestrzeni roboczej silnika, znamienny tym, że paliwo wodorowe wprowadza się metodą wysokociśnieniowego wtrysku bezpośredniego do przestrzeni roboczej silnika w jednej dawce lub w dawce dozowanej w porcjach, przed wyładowaniem iskrowym inicjującym zapłon i w trakcie trwania spalania, które zachodzi w strefie dyfuzji masy wodoru do strefy powietrza i dyfuzji ciepła do strefy spalania, z równoczesną kontrolą prędkości wydzielania ciepła w trakcie spalania i z równoczesną kontrolą prędkości wzrostu ciśnienia w przestrzeni roboczej silnika i regulacją ilości składników do uzyskania mieszanki wodorowo-powietrznej ubogiej, bogatej lub stechiometrycznej, aż do prawie całkowitego wyczerpania tlenu zawartego w powietrzu zasysanym przez silnik do jego przestrzeni roboczej.