PL233449B1 - Sposób wielopaliwowego mieszalnikowego zasilania silników spalinowych paliwem gazowym - Google Patents

Abstract

Sposób wielopaliwowego zasilania silników spalinowych paliwem gazowym, w którym silnik spalinowy zasila się paliwami gazowymi poprzez mieszalnik posiadający co najmniej dwa modułowe segmenty (1) tworzące komorę mieszania pomiędzy częścią zbieżną kanału wlotowego połączoną z korpusem (3) przepustnicy powietrza (4) a częścią rozbieżną (8) kanału wylotowego, przy czym każdy modułowy segment (1) jest zasilany innym paliwem gazowym przez przewód gazowy wyposażony w regulator przepływu (6), a ponadto przepustnica powietrza (4) i regulatory przepływu (6) są połączone z elementami układu wykonawczego (7) układu sterowania.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób mieszalnikowego zasilania silników spalinowych mający zastosowanie do równoczesnego zasilania jednym lub kilkoma paliwami gazowymi.

Znane i stosowane są dwa rodzaje sposobów dostarczania mieszanki paliwa gazowego i powietrza do przestrzeni roboczej silnika.

Do pierwszej grupy należą sposoby polegające na wytworzeniu mieszanki poza przestrzenią roboczą silnika i dostarczeniu jej w procesie dolotu. Paliwo gazowe dostarczane jest do kanału dolotowego silnika za pomocą mieszalnika lub wtryskiwacza gazu. Zasilanie przy użyciu mieszalnika stosowane jest zwykle gdy ciśnienie dostarczanego paliwa gazowego ma wartość zbliżoną do wartości ciśnienia otoczenia. Układy wtryskowe wymagają doprowadzania paliwa przy ciśnieniu wynoszącym kilka barów.

Do drugiej grupy sposobów zasilania zalicza się systemy wtrysku gazu bezpośrednio do przestrzeni roboczej silnika. Stosowanie takiego sposobu doprowadzania paliwa wymaga zasilania paliwem gazowym o ciśnieniu od kilkunastu do kilkuset barów. Wartość ciśnienia zależy od zdolności przepływowych wtryskiwacza i od wartości przeciwciśnienia w przestrzeni roboczej silnika wynikającej z fazy wtrysku.

Zasilanie mieszalnikowe realizowane jest zwykle w ten sposób, że powietrze zasysane przez silnik przepływa przez zwężkę, co powoduje zwiększenie prędkości przepływu i zmniejszenie wartości ciśnienia w przekroju zwężki. Strumień paliwa regulowany jest zaworem. Proporcje między paliwem i powietrzem wynikają z różnicy ciśnienia i ustawienia zaworu regulującego przepływ gazu. W systemach tego typu nie ma możliwości utrzymania optymalnego udziału paliwa w wytwarzanej mieszance. Wymaganie to powinno być spełnione ze względu na wskaźniki robocze, sprawność i własności ekologiczne zasilanego silnika spalinowego. Przykładem takiego mieszalnika jest mieszalnik paliwa gazowego z powietrzem do silników spalinowych według polskiego patentu PAT 178661. W rozwiązaniu tym zespół mieszalniczy, połączony z zespołem przepustnicy, ma zwężkę połączoną otworami w gardzieli z pierścieniową komorą gazową zasilaną przez przewód gazowy wyposażony w regulator przepływu. Dodatkowy zawór jest wykonany w kanale obejściowym przepustnicy. W tego typu rozwiązaniu wartość ciśnienia zależy od kwadratu prędkości przepływu powietrza w zwężce. W warunkach małego zapotrzebowania na mieszankę palną, przy niewielkim obciążeniu silnika, podciśnienie wytwarzane w zwężce ma małą wartość natomiast przy dużym obciążeniu wzrost prędkości przepływu jest przyczyną znacznych oporów przepływowych co powoduje zmniejszenie ilości ładunku doprowadzanej do silnika. Skutkuje to pogorszeniem wskaźników roboczych silnika.

Inny przykład mieszalnika do silników spalinowych przedstawiony jest w opisie patentowym US 37107770. W rozwiązaniu tym układ paliwowy silnika jest wyposażony w komorę mieszania z umieszczoną na wlocie przepustnicą do regulacji powietrza wlotowego. Paliwo gazowe jest doprowadzane do komory mieszania poprzez zawory zwrotne. Zawory zwrotne i przepustnica są połączone z układem sterowania umożliwiającym kontrolę i regulację składu mieszanki.

Z opisu patentowego WO 2015014529 znany jest także układ wtrysku paliwa do silników spalinowych, który umożliwia mieszanie gazów doprowadzanych do kanału dolotowego. Układ ten ma modułową konstrukcję złożoną z połączonych szeregowo wtryskiwaczy paliwa gazowego. Modułowa konstrukcja umożliwia przyłączenie różnych odmian wtryskiwaczy za pomocą odcinków rurowych. Rozwiązanie to nie nadaje się do mieszania gazów doprowadzanych pod niskim ciśnieniem, z uwagi na duże opory przepływu.

W dotychczas znanych sposobach zasilania silników gazowych brak jest sposobów umożliwiających jednoczesne zasilanie silnika różnorodnymi paliwami gazowymi. W przypadku zasilania silnika paliwami o różnych właściwościach energetycznych, różnej odporności na spalanie stukowe czy inne anomalia spalania, różnym zakresie zapalności, różnych właściwościach fizykochemicznych, zachodzi konieczność mieszania tych paliw przed doprowadzeniem do układu zasilania. Optymalne, bądź umożliwiające skuteczne spalanie, udziały objętościowe poszczególnych paliw zależą od stanu obciążenia silnika. Sytuacja ta wymaga szybkiej i precyzyjnej regulacji udziału poszczególnych paliw przy zmianie warunków pracy silnika. Może zachodzić także sytuacja niedoboru lub wręcz braku któregoś ze składników paliwa. Proponowany układ zasilania eliminuje te problemy dzięki osobnemu doprowadzaniu paliw gazowych do mieszalnika i precyzyjnemu sterowaniu strumienia każdego paliwa.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wielopaliwowego zasilania silników spalinowych przy zastosowaniu modułowej konstrukcji mieszalnika przeznaczonego dla do równoczesnego mieszania różnych gazów doprowadzanych pod niskim ciśnieniem.

PL 233 449 B1

Sposób wielopaliwowego zasilania silników spalinowych paliwem gazowym według wynalazku charakteryzuje się tym, że silnik spalinowy zasila się paliwami gazowymi poprzez mieszalnik posiadający co najmniej dwa modułowe segmenty tworzące komorę mieszania pomiędzy częścią zbieżną kanału wlotowego połączoną z korpusem przepustnicy powietrza a częścią rozbieżną kanału wylotowego, przy czym każdy modułowy segment jest zasilany innym paliwem gazowym przez przewód gazowy wyposażony w regulator przepływu, a ponadto przepustnicą powietrza i regulatory przepływu są połączone z elementami układu wykonawczego układu sterowania.

Korzystnie, jako regulator przepływu stosuje się przepustnicę gazu.

Korzystnie, co najmniej jeden modułowy segment wyposażony jest we wkładkę.

Istota sposobu zasilania według wynalazku polega na tym, że paliwo gazowe doprowadzone jest do korpusu przepustnicy gazu za pomocą przewodu gazowego a następnie przepływa do komory między segmentem korpusu mieszalnika a wkładką segmentu mieszalnika skąd przez szczelinę między wkładką segmentu mieszalnika a krawędzią stożka wyjściowego przepływa do części środkowej i tam miesza się ze strumieniem powietrza płynącym wzdłuż osi podłużnej mieszalnika. Ilość gazu regulowana jest przez zmianę położenia przepustnicy gazu a także wstępnie przez zmianę wielkości szczeliny pomiędzy stożkiem wyjściowym mieszalnika a wkładką segmentu mieszalnika. Stosowanie wkładki segmentu mieszalnika nie jest konieczne. W przypadku gazów o dobrej mieszalności z powietrzem (np. wodór, gaz koksowniczy) wymaganą jakość wymieszania można uzyskać przy bezpośrednim wypływie gazu z korpusu przepustnicy gazu do wnętrza segmentu korpusu mieszalnika.

Mieszalnik można zestawić z dowolnej liczby modułów i w przypadku zasilania kilkoma paliwami gazowymi prowadzić osobno paliwo do każdego modułu regulując przepływ każdego z paliw oddzielnie.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku uzyskuje się:

1. Możliwość zasilania silnika jednym lub wieloma paliwami - istotna szczególnie w przypadku zasilania silnika paliwami niskiej jakości lub gazami zawierającymi substancje palne a nie nadającymi się do wyłącznego zasilania silników. Zagadnienie to jest istotne w przypadku utylizacji gazów post procesowych np. gazów gardzielowych, które mogą być spalane skutecznie w obecności innych gazów.

2. Możliwość zasilania paliwami o różnych parametrach np. różnych wartości ciśnienia absolutnego, temperatury, lepkości - istotna w przypadku zasilania paliwami pochodzącymi z różnych źródeł energetycznych lub technologicznych. W przypadku zasilania silnika gazami post procesowymi często nie istnieje możliwość wpływania na parametry dostarczanego paliwa.

3. Możliwość szybkiej zmiany udziału każdego paliwa gazowego zasilającego silnik w mieszance paliwowo-powietrznej - w przypadku stosowania paliw o różnych właściwościach zachodzi konieczność zmiany udziału paliw zasilających w mieszance paliwowo-powietrznej w zależności od stanu obciążenia silnika tak, by uzyskać optymalne wskaźniki robocze i ekologiczne lub nawet utrzymać silnik w ruchu.

4. Możliwość regulowania wartości ciśnienia w mieszalniku przez zmianę w czasie rzeczywistym położenia przepustnicy powietrza. Cechą mającą istotny wpływ na warunki tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej i wskaźniki robocze silnika. Regulacja wartości ciśnienia w komorze mieszalnika wpływa także na warunki pracy systemu doładowania, zasilania silnika a zatem na jego sprawność. Ciśnienie w komorze mieszalnika może być regulowane w zależności od stanu obciążenia silnika tak by umożliwić łatwy rozruch, precyzyjną regulacje prędkości obrotowej wału korbowego, szybką reakcje na zmianę obciążenia, niewielkie opory przepływu przy dużym obciążeniu silnika.

5. Możliwość stosowania różnych strategii sterowania w zależności od rodzaju paliwa, jego właściwości, wymagań związanych ze wskaźnikami roboczymi i ekologicznymi silnika, cech odbiornika energii. Cecha ta jest istotna w przypadku stosowania paliw o różnych właściwościach i parametrach dostarczania paliwa.

Wytwarzanie mieszanki paliw gazowych z powietrzem może odbywać się według założonych funkcji ciśnienia w komorze mieszania mieszalnika i założonych funkcji udziału paliw gazowych w mieszance w zależności od stanu obciążenia, zmienności stanu obciążenia, stanu cieplnego, cech funkcjonalnych silnika, kompletacji silnika (np. dostosowanie do charakterystyki turbosprężarki), cech dynamicznych odbiornika energii.

Wynalazek jest objaśniony na podstawie przykładu wykonania uwidocznionego na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zespół mieszalnika w przekroju osiowym przez komorę mieszania.

PL 233 449 B1

Mieszalnik paliwa gazowego do zasilania silników spalinowych składa się z następujących elementów:

1. segment 1 korpusu mieszalnika w liczbie równej liczbie gazów zasilających silnik;

2. wkładka 2 segmentu 1 mieszalnika;

3. przepustnicą powietrza 3 połączona przez oś przepustnicy powietrza 3 z układem wykonawczym 7 (np. silnikiem krokowym);

4. korpusu 5 przepustnicy gazu 6;

5. przepustnicą gazu 6 połączona przez oś przepustnicy gazu 5 z układem wykonawczym 7 (np. silnikiem krokowym);

6. układ wykonawczy 7 przepustnic (np. silniki krokowe);

7. stożek wyjściowy 8 mieszalnika.

Segment 1 korpusu mieszalnika, wkładka 2 segmentu mieszalnika, korpus 5 przepustnicy gazu 6 z przepustnicą i układem wykonawczym 7 nastawiającym położenia przepustnicy gazu 6 stanowią moduł mieszalnika przewidziany do zasiania jednym paliwem gazowym.

Paliwo gazowe doprowadzone jest do korpusu 5 przepustnicy gazu 6 za pomocą przewodu gazowego, a następnie przepływa do komory między segmentem 1 korpusu mieszalnika a wkładką 2 tego segmentu 1 mieszalnika skąd przez szczelinę między wkładką 2 segmentu 1 mieszalnika a krawędzią wylotową segmentu 1, gdzie przepływa do środka komory mieszania i miesza się ze strumieniem powietrza płynącym wzdłuż osi podłużnej komory mieszania. Ilość gazu regulowana jest przez zmianę położenia przepustnicy gazu 6, a także wstępnie przez zmianę wielkości szczeliny pomiędzy krawędzią wylotową segmentu 1 mieszalnika a wkładką 2. W przypadku gazów o dobrej mieszalności z powietrzem (np. wodór, gaz koksowniczy) wymaganą jakość wymieszania można uzyskać przy bezpośrednim wypływie gazu z korpusu 5 przepustnicy gazu 6 do wnętrza segmentu 1 korpusu mieszalnika.

Sposób zasilania według wynalazku można zrealizować przy użyciu mieszalnika złożonego z dowolnej liczby modułów i w przypadku zasilania kilkoma paliwami gazowymi prowadzić osobno paliwo do każdego modułu regulując przepływ każdego z paliw oddzielnie.

Korpus przepustnicy powietrza 3, wyposażony w przepustnicę powietrza 3 połączoną osią z układem nastawiającym przepustnicę powietrza 3, przymocowany jest do modułów mieszalnika w części doprowadzającej powietrze. Przez zmianę położenia przepustnicy powietrza 3 zmienia się wartość podciśnienia w obszarze wypływu paliwa gazowego z korpusu przepustnicy gazu wpływając w ten sposób na warunki tworzenia mieszanki paliwa i powietrza.

Układ wykonawczy 7, (np. silniki krokowe) ustawiający położenie przepustnicy powietrza 3 i przepustnic gazu 9 sterowny jest za pomocą kontrolera realizującego algorytm sterowania. Sygnałami wejściowymi dla algorytmu sterowania są sygnały pochodzące z czujników wielkości związanych z określeniem stanu obciążenia silnika lub odbiornika energii (np. prądnicy agregatu prądotwórczego). Mogą to być np.: prędkość obrotowa wału korbowego silnika, położenie przepustnicy mieszanki silnika, ciśnienie absolutne w kolektorze dolotowym silnika, ciśnienie doładowania, strumień masy dostarczanego powietrza, sygnał sondy lambda, temperatura cieczy chłodzącej silnik, temperatura powietrza doładowującego, temperatura spalin.

Badania zasilania silnika agregatu prądotwórczego przeprowadzono na w specjalnym stanowisku badawczym. Stosowano zasilanie dwoma różnymi paliwami przy zastosowaniu mieszalnika o dwu modułach doprowadzania gazu. Użyto jako paliwa gazu ziemnego, tlenku węgla, acetylenu, propanu, mieszaniny propanu i butanu mieszanych także z gazami obojętnymi azotem i dwutlenkiem węgla.

W każdym przypadku konieczna była odpowiednia kalibracja sterownika tak by zapewnić realizację założonych kryteriów zasilania np. optymalizacja sprawności czy własności ekologicznych zasilanego silnika.

Uzyskano zdecydowanie lepsze własności ruchowe silnika i korzystne cechy robocze i ekologiczne w odniesieniu do znanych rozwiązań.

Claims (3)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wielopaliwowego zasilania silników spalinowych paliwem gazowym, znamienny tym, że silnik spalinowy zasila się paliwami gazowymi poprzez mieszalnik posiadający co najmniej dwa modułowe segmenty (1) tworzące komorę mieszania (11) pomiędzy częścią zbieżną kanału wlotowego połączoną z korpusem (3) przepustnicy powietrza (4) a częścią rozbieżną (8)

   PL 233 449 Β1 kanału wylotowego, przy czym każdy modułowy segment (1) jest zasilany innym paliwem gazowym przez przewód gazowy wyposażony w regulator przepływu (6), a ponadto przepustnica powietrza (4) i regulatory przepływu (6) są połączone z elementami układu wykonawczego (7) układu sterowania.
2. 2. Sposób zasilania silników spalinowych, według zastrz. 1, znamienny tym, że jako regulator przepływu (6) stosuje się przepustnicę gazu.
3. 3. Sposób zasilania silników spalinowych według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że co najmniej jeden modułowy segment (1) wyposażony jest we wkładkę (2).