PL388684A1 - Sposób dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym i urządzenie do dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym - Google Patents

Description

38 86 84 7

Sposób dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym i urządzenie do dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym

Przedmiotem wynalazku jest sposób dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym i urządzenie do dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym. Polega to na spalaniu oleju napędowego i gazów palnych LPG i CNG w komorach spalania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym. Wynalazek nadaje się do zastosowanie w tych działach techniki, które zajmują się budową i eksploatacją tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym i maszyn nimi napędzanych. W znanym z opisu patentowego US 4517928 rozwiązaniu dwupaliwowego zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym ilość podawanego gazu jest warunkowana ilością aktualnie zużywanego oleju napędowego, bądź znanym z opisu patentowego WO 0236953 rozwiązaniem ilość podawanego gazu jest uwarunkowana położeniem pedału gazu i ciśnieniem w pompie wtryskowej. Znane z opisu patentowego NL C 1023206 urządzenie do dwupaliwowego zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym jest wyposażone w programowany procesor, który steruje dopływem gazu w sposób zależny od obrotów silnika, a znane ze 2 zgłoszenia patentowego DE 10 2007 017561 Al urządzenie ma sterownik sterujący doprowadzaną dawką oleju napędowego (co najmniej jednym zaworem) oraz ilością (dawką) doprowadzanego gazu.

Jednakże w znanych do tej pory i omawianych powyżej rozwiązaniach zasilania gazem silników spalinowych z zapłonem samoczynnym nie udało się osiągnąć zadawalających wyników. Opisane powyżej rozwiązania charakteryzują się różnymi sposobami podawania gazu palnego do komór spalania silników i różnymi sposobami sterowania dopływem oleju napędowego i gazu. Dodatkową barierą, która występuje przy spalaniu gazu palnego w komorach silników z zapłonem samoczynnym jest spalanie detonacyjne (stukowe) pojawiające się przy większych dawkach gazu palnego i większych obciążeniach silnika. Bariera ta jest opisana np. w pracach dr inż. Andrzeja Różyckiego z Politechniki Radomskiej (publikacje Biblioteki Cyfrowej Politechniki Krakowskiej: „Journal of KONES Internal Combustion Engines” i innych).

Celem wynalazku była obniżka kosztów eksploatacji tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym poprzez zmianę rodzaju zużywanych przez tego typu silniki paliw, a tym samym obniżka kosztów eksploatacji wyposażonych w nie maszyn. Oprócz tego zmniejszenie ilości szkodliwych produktów spalania emitowanych przez wysokoprężne silniki spalinowe. A zadaniem technicznym postawionym do rozwiązania było umożliwienie zastąpienia pewnej ilości oleju napędowego, spalanego w komorach spalania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, określoną ilością gazu palnego, bez zmiany charakterystyki silnika spalinowego.

Sposób dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, wykorzystujący elektromagnetyczne zawory, czujniki, filtry, według wynalazku charakteryzuje się tym, że gaz palny ze zbiornika poprzez elektromagnetyczny otwierający zawór i filtr fazy ciekłej podaje się do 3 elektromagnetycznego zaworu parownika, wyposażonego w czujniki temperatury i ciśnienia gazu. Następnie gaz palny poprzez elektrozawór i filtr fazy lotnej podaje się do dozującego mechanizmu i dyszą kieruje się na łopatkowy wieniec części sprężającej turbosprężarki silnika spalinowego. Tutaj miesza się gaz palny z atmosferycznym powietrzem, zasysanym do spalinowego silnika poprzez wlotowy filtr. Wytworzoną w ten sposób mieszaninę palną chłodzi się w omywanej atmosferycznym powietrzem lub innym czynnikiem chłodzącym chłodnicy i podaje się dalej do kolektora ssącego spalinowego silnika. Cały proces zasilania palnym gazem realizuje się poprzez programowany sterownik, zarządzający pracą mechanizmu, o liniowej charakterystyce, wypływu gazu dozującego gaz palny. Do sterownika doprowadza się elektryczne sygnały dotyczące obciążenia, obrotów, przekazywanej mocy silnika, z szyny wymiany informacji spalinowego silnika oraz czujników, sterujących otwieraniem elektrozaworów zbiornika gazu palnego, elektrozaworów reduktora i parownika oraz elektrozaworu urządzenia dozującego.

Korzystnie, jeżeli doprowadzając do komory spalania silnika spalinowego z zapłonem samoczynnym pewną ilość gazu zmniejsza się ilość wtryskiwanego oleju napędowego, przy niezmienionych charakterystykach silnika określonych przez jego wytwórcę.

Korzystnie, jeżeli do programowego sterownika doprowadza się dane przesyłane szyną wymiany informacji spalinowego silnika oraz dane z pozostałych zastosowanych czujników.

Korzystnie, jeżeli wykorzystuje się wieniec łopatkowy części sprężarkowej turbozespołu ładującego spalinowego silnika dla dokładnego wymieszania zassanego powietrza z gazem palnym.

Korzystnie, jeżeli wykorzystuje się wymiennik ciepła spalinowego silnika do chłodzenia mieszanki powietrza z palnym gazem. 4

Korzystnie, jeżeli program w oparciu o który działa sterownik układa się w ten sposób, ażeby zabezpieczał przed przeciążeniem cieplnym spalinowy silnik wyposażony w tego typu inne urządzenia.

Urządzenie do dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, zawierające elektromagnetyczne zawory, czujniki, filtry, według wynalazku odznacza się tym, że zawiera programowy sterownik , połączony elektrycznie poprzez czujnik spalania detonacyjnego ze spalinowym silnikiem z zapłonem samoczynnym, oraz z dozującym mechanizmem, a z drugiej strony jest połączony poprzez otwierająco-zamykający zawór ze zbiornikiem gazu palnego, zaopatrzonym w czujnik poziomu. Zbiornik gazu palnego poprzez otwieraj ąco-zamykający zawór, filtr gazu palnego, otwierający zawór reduktora, parownik gazu, czujnik temperatury, czujnik ciśnienia gazu, otwierający zawór i filtr fazy lotnej gazu, jest połączony rurowymi przewodami z mechanizmem dozującym palny gaz. Mechanizm dozujący palny gaz jest połączony rurowym przewodem z dyszą albo z zespołem dysz, które z jednej strony są połączone rurowym przewodem z filtrem powietrza atmosferycznego, a z drugiej strony rurowymi przewodami ze spalinowym silnikiem poprzez turbosprężarkę, chłodnicę mieszanki powietrza z palnym gazem oraz czujniki mierzące spadek ciśnienia mieszanki w chłodnicy. Programowany sterownik jest połączony elektrycznie bezpośrednio z czujnikiem poziomu gazu palnego, parownikiem gazu, czujnikiem temperatury gazu, czujnikiem ciśnienia gazu, otwierającym zaworem, czujnikami mierzącymi spadek ciśnienia mieszanki gazu z powietrzem w chłodnicy oraz z szyną wymiany informacji silnika spalinowego.

Odmiana urządzenia do dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, zawierającego elektromagnetyczne zawory, czujniki, filtry, według wynalazku jest wyposażona w programowany 5 sterownik, połączony elektrycznie z mechanizmem dozującym palny gaz CNG, reduktorem palnego gazu CNG oraz z zaworem otwierająco-zamykającym zasobnika gazu palnego CNG. Natomiast zasobnik gazu palnego CNG jest połączony rurowymi przewodami poprzez zawór, filtr i reduktor gazu palnego CNG z mechanizmem dozującym gaz palny CNG, który jest połączony rurowym przewodem z dyszą albo z zespołem dysz. Dysza albo zespół dysz jest połączony z jednej strony rurowym przewodem z filtrem powietrza atmosferycznego, a z drugiej strony rurowymi przewodami ze spalinowym silnikiem, poprzez turbosprężarkę, chłodnicę mieszanki powietrza z palnym gazem CNG oraz czujniki mierzące spadek ciśnienia mieszanki w chłodnicy.

Przedmiot wynalazku pozwala na zastąpienie 40-50% wagowych oleju napędowego palnym gazem LPG lub CNG. Wynikają stąd oszczędności, których wielkość zależna jest od poziomu cen oleju napędowego i gazu palnego oraz specyficznych warunków eksploatacji maszyn napędzanych silnikami w nie wyposażonymi. Tłokowymi silnikami z zapłonem samoczynnym, w których stosuje się przedmiot wynalazku, mogą być napędzane wszelkiego rodzaju pojazdy, maszyny robocze, jednostki pływające jak i urządzenia (agregaty) stacjonarne.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładach stosowania i wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy urządzenia do dwupaliwowego zasilania silników spalinowych z zapłonem samoczynnym z zastosowaniem palnego gazu LPG, fig. 2 - schemat blokowy urządzenia do dwupaliwowego zasilania silników spalinowych z zapłonem samoczynnym z zastosowaniem palnego gazu CNG, fig. 3 - schemat urządzenia dystrybującego gaz palny o liniowej charakterystyce dozowania z tłokiem zaworu proporcjonalnego w kształcie paraboloidy obrotowej, a fig. 4 - schemat urządzenia dystrybującego gaz 6 palny o liniowej charakterystyce dozowania z tłokiem zaworu proporcjonalnego w kształcie walca.

Wynalazek dotyczy procesu zastąpienia w komorach spalania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym części wtryskiwanego tam oleju napędowego gazem palnym, oraz urządzenia do jego realizacji. Następuje spalanie oleju napędowego i gazów palnych LPG i CNG w komorach spalania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym. Proces ten przebiega z zachowaniem charakterystyk silników spalinowych określonych przez ich producentów. Urządzenie realizuje ten proces poprzez programowany sterownik gazu zarządzający pracą mechanizmu (zaworu, wtryskiwaczy) dozującego gaz palny. Programowany sterownik wyposażony jest w specjalny program i pobiera potrzebne dane z szyny wymiany informacji CANbus silnika spalinowego i czujników własnych.

Proces stanowiący przedmiot wynalazku charakteryzuje się tym, że doprowadzenie do komór spalania silnika pewnej ilości gazu palnego powoduje zmniejszenie ilości doprowadzonego oleju napędowego w taki sposób, by charakterystyki silnika określone przez jego wytwórcę były zachowane. Ilość gazu doprowadzonego do komór spalania silnika zależna jest od jego obciążenia, określonego różnicą zapotrzebowanego i chwilowego momentu obrotowego oraz obrotami. Przy biegu luzem oraz hamowaniu, dopływ gazu zostaje odcięty. Schemat urządzenia do realizacji tego procesu z zastosowaniem gazu palnego LPG pokazany jest na fig. 1. W urządzeniu wykorzystuje się wieniec łopatkowy sprężarki turbozespołu ładującego silnika do optymalnego wymieszania składników (gazu palnego i powietrza) mieszanki palnej co jest cechą charakterystyczną przedmiotu wynalazku. W celu zapewnienia optymalnej sprawności silnika przeprowadza się chłodzenie wytworzonej mieszanki powietrza z gazem palnym w wymienniku ciepła omywanym czynnikiem chłodzącym. Do tego celu może być wykorzystana chłodnica powietrza ładującego silnik 7 (intercooler) omywana powietrzem atmosferycznym lub w przypadku silników napędzających na przykład jednostki pływające, wymiennik ciepła omywany wodą zaburtową. Układ dozujący zastosowany w urządzeniu według wynalazku wyposażony jest w wtryskiwacz lub zawór (zawory) regulacyjny gazu o charakterystyce liniowej napędzany silnikiem krokowym. Charakterystyczne cechy konstrukcji tego zaworu pokazane są na fig. 3 i 4 rysunku.

Urządzenie do dwupaliwowego zasilania nowoczesnych silników z zapłonem samoczynnym oraz spalania gazów palnych w komorach spalania silników z zapłonem samoczynnym realizuje proces poprzez programowany sterownik 17 zarządzający pracą mechanizmu 6 o liniowej charakterystyce wypływu gazu (zaworu, zespołu zaworów, wtryskiwaczy, zespołu wtryskiwaczy) dozującego gaz palny. Gaz palny ze zbiornika 16 poprzez elektromagnetyczny otwierający zawór 14 i filtr 13 fazy ciekłej podawany jest do elektromagnetycznego zaworu 12 parownika JJ_, wyposażonego w czujniki 10 i 9 temperatury i ciśnienia gazu. Następnie poprzez elektrozawór 7 i filtr 8 fazy lotnej palny gaz jest podawany do dozującego mechanizmu 6. Po czym dyszą Ą palny gaz kierowany jest na łopatkowy wieniec 4 części sprężającej turbosprężarki silnika spalinowego. Tam następuje wymieszanie gazu z powietrzem atmosferycznym Atm. zassanym do spalinowego silnika i poprzez wlotowy filtr 5. Wytworzona w ten sposób mieszanka palna chłodzona jest w chłodnicy 3, omywanej atmosferycznym powietrzem Atm. lub innym czynnikiem chłodzącym, i dalej podawana jest do kolektora ssącego spalinowego silnika I. Programowany sterownik 17 otrzymuje sygnały (dotyczące obciążenia, obrotów, przekazywanej mocy silnika) z szyny wymiany informacji CANbus oraz czujników, sterując otwieraniem elektrozaworów 14 zbiornika 16 albo 161 gazu palnego , elektrozaworu 12 reduktora i parownika H oraz elektrozaworu 7 dozującego urządzenia 6. Sygnały z czujników 2 i 21 zabezpieczają 8 chłodnicę 3 mieszaniny powietrza i palnego gazu i ich zadaniem jest wykrycie ewentualnych nieszczelności instalacji. . Urządzenie do dwupaliwowego zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, przeznaczone dla palnego gazu CNG, zawiera programowany sterownik 17, połączony elektrycznie z mechanizmem 6^ dozującym palny gaz CNG, reduktorem ΓΓ palnego gazu CNG oraz z zaworem 141 otwierająco-zamykającym zasobnika gazu palnego CNG. Natomiast zasobnik 161 gazu palnego CNG jest połączony rurowymi przewodami poprzez zawór 141, filtr 131 1 reduktor J_T gazu palnego CNG z mechanizmem 61 dozującym gaz palny CNG, który jest połączony rurowym przewodem z dyszą Ą albo z zespołem dysz Ą, które są połączone z jednej strony rurowym przewodem z filtrem powietrza atmosferycznego, a z drugiej strony rurowymi przewodami ze spalinowym silnikiem, poprzez turbosprężarkę, chłodnicę mieszanki powietrza z palnym gazem CNG oraz czujniki mierzące spadek ciśnienia mieszanki w chłodnicy.

Mechanizm 6 dozujący gaz palny LPG albo CNG do dyszy Ą lub zespołu dysz Ą króćca ssącego turbosprężarki spalinowego silnika i, o liniowej charakterystyce dozowania, zawiera filtr 8_ fazy lotnej palnego gazu z czujnikiem 9 ciśnienia, zasilany poprzez otwierający elektrozawór 7, który jest sprzężony z proporcjonalnym zaworem J_8, sterowanym krokowym silnikiem 19. Dozujący mechanizm 6 może mieć tłok 20 proporcjonalnego zaworu 18 w kształcie paraboloidy obrotowej, albo tłok 21 proporcjonalnego zaworu 18 w kształcie walca.

mgr int. tiożydur Piotrowski

Wykaz oznaczeń części konstrukcyjnych: 1 Silnik spalinowy z zapłonem samoczynnym I ’ Czujnik spalania detonacyjnego 2-2’ Czujniki mierzące spadek ciśnienia w chłodnicy mieszanki powietrza - gaz 3 Chłodnica mieszanki 4 Turbosprężarka 5 Filtr powietrza atmosferycznego 6 Mechanizm dozujący

6’ Mechanizm dozujący CNG 7 Zawór otwierający 8 Filtr gazu(fazy lotnej) 9 Czujnik ciśnienia gazu 10 Czujnik temperatury gazu II Parownik gazu

11 ’ Reduktor CNG 12 Zawór otwierający reduktora 13 Filtr gazu (fazy ciekłej)

13’Filtr gazu CNG

14 Zawór otwierający, zamykający zbiomika/zasobnika gazu 14’ Zawór otwierający, zamykający zasobnika CNG 15 Czujnik poziomu

16 Zbiornik LPG/zasobnik CNG 16’ Zasobnik CNG

17 Sterownik KME 18 Zawór proporcjonalny 19 Silnik krokowy 20 Tłok zaworu w kształcie paraboloidy obrotowej 21 Tłok zaworu w kształcie walca Atm Powietrze atmosferyczne CANbus Szyna wymiany informacji ® Dysza(zespół dysz) —i Droga powietrza atmosferycznego - ’ Droga gazu palnego —► Droga mieszanki palnej —► Droga sygnałów elektrycznych

mgr tnź, Boiyd&r Piotrowski

Claims (8)

1. 3 8 8 6 8 Λ Η Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób dwupaliwowego zasilania nowoczesnych tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, wykorzystujący elektromagnetyczne zawory, czujniki, filtry, znamienny tym, że gaz palny ze zbiornika /16/ poprzez elektromagnetyczny otwierający zawór /14/ i filtr /13/ fazy ciekłej podaje się do elektromagnetycznego zaworu /12/ parownika /11/, wyposażonego w czujniki /10/ i /9/ temperatury i ciśnienia gazu, następnie poprzez elektrozawór /7/ i filtr /8/ fazy lotnej do dozującego mechanizmu /6/ i dyszą /A/ kieruje się na łopatkowy wieniec /4/ części sprężającej turbosprężarki silnika spalinowego gdzie miesza się gaz palny z atmosferycznym powietrzem /Atm/ zasysanym do spalinowego silnika /1/ poprzez wlotowy filtr, a wytworzoną w ten sposób mieszaninę palną chłodzi się w omywanej atmosferycznym powietrzem /Atm/ lub innym czynnikiem chłodzącym chłodnicy /3/, i podaje się dalej do kolektora ssącego spalinowego silnika /1/, przy czym cały proces zasilania realizuje się poprzez programowy sterownik /17/ zarządzający pracą mechanizmu /6/ o liniowej charakterystyce wypływu gazu dozującego gaz palny, do którego to sterownika /17/ doprowadza się elektryczne sygnały dotyczące obciążenia, obrotów, przekazywanej mocy silnika, z szyny wymiany informacji /CANbus/ spalinowego silnika, oraz czujników, sterujących otwieraniem elektrozaworów /14/ zbiornika gazu palnego /16/ lub /167, elektrozaworów /12/ reduktora i parownika /11/ oraz elektrozaworu /7/ dozującego urządzenia /6/. 1
2. 2. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że doprowadzając do komory spalania silnika spalinowego z zapłonem samoczynnym pewną ilość gazu zmniejsza się ilość wtryskiwanego oleju napędowego, przy niezmienionych charakterystykach silnika określonych przez jego wytwórcę.
3. 3. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że do sterownika /17/ doprowadza się dane przesyłane szyną /CANbus/ wymiany informacji spalinowego silnika l\l oraz dane z pozostałych zastosowanych czujników.
4. 4. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się wieniec łopatkowy części sprężarkowej turbozespołu ładującego spalinowego silnika /1/ dla dokładnego wymieszania zassanego powietrza z gazem palnym.
5. 5. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się wymiennik ciepła spalinowego silnika/1/ do chłodzenia mieszanki powietrza z palnym gazem.
6. 6. Sposób, według zastrz. 1, znamienny tym, że program w oparciu o który działa sterownik /17/, układa się w ten sposób, ażeby zabezpieczał przed przeciążeniem cieplnym spalinowy silnik /1 / wyposażony w tego typu inne urządzenia.
7. 7. Urządzenie do dwupaliwowego zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, zawierające elektromagnetyczne zawory, czujniki, filtry, znamienne tym, że zawiera programowy sterownik /17/, połączony elektrycznie poprzez czujnik /17 spalania detonacyjnego ze spalinowym silnikiem III z zapłonem samoczynnym, oraz z dozującym mechanizmem /6/, a z drugiej strony połączony poprzez otwieraj ąco-zamykający zawór /14/ ze zbiornikiem /16/ gazu palnego, zaopatrzonym w czujnik /15/ poziomu, a zbiornik /16/ gazu palnego jest połączony rurowymi przewodami poprzez otwieraj ąco-zamykający zawór /14/, filtr /13/ gazu palnego, otwierający zawór /12/ reduktora, parownik /11/ gazu, czujnik /10/ temperatury, czujnik /9/ ciśnienia gazu, otwierający zawór /7/ i filtr /8/ fazy lotnej gazu, jest połączony z mechanizmem /6/ dozującym palny gaz, a mechanizm /6/ dozujący 2 palny gaz jest połączony rurowym przewodem z dyszą /AJ albo z zespołem dysz /AJ, które z jednej strony są połączone rurowym przewodem z filtrem /5/ powietrza atmosferycznego /Mml, a z drugiej strony rurowymi przewodami ze spalinowym silnikiem /1/ poprzez turbosprężarkę /4/, chłodnicę /3/ mieszanki powietrza z palnym gazem oraz czujniki /2 i 27 mierzące spadek ciśnienia mieszanki w chłodnicy, natomiast programowy sterownik /YTJ jest połączony elektrycznie bezpośrednio z czujnikiem /15/ poziomu gazu palnego, parownikiem /11/ gazu, czujnikiem /10/ temperatury gazu, czujnikiem /9/ ciśnienia gazu, otwierającym zaworem /7/, czujnikami /2 i 27 mierzącymi spadek ciśnienia mieszanki gazu z powietrzem w chłodnicy oraz z szyną /CANbus/ wymiany informacji silnika spalinowego.
8. 8. Urządzenie do dwupaliwowego zasilania tłokowych silników spalinowych z zapłonem samoczynnym, zawierające elektromagnetyczne zawory, czujniki, filtry, znamienne tym, że zawiera programowy sterownik /17/, połączony elektrycznie z mechanizmem /67 dozującym palny gaz CNG, reduktorem /117 palnego gazu CNG oraz z zaworem /147 otwierająco-zamykającym zasobnika gazu palnego CNG, natomiast zasobnik /167 gazu palnego CNG jest połączony rurowymi przewodami poprzez zawór /147. filtr /137 i reduktor /117 gazu palnego CNG z mechanizmem /67 dozującym gaz palny CNG, który jest połączony rurowym przewodem z dyszą /AJ albo z zespołem dysz /A/, które są połączone z jednej strony rurowym przewodem z filtrem powietrza atmosferycznego, a z drugiej strony rurowymi przewodami ze spalinowym silnikiem, poprzez turbosprężarkę, chłodnicę mieszanki powietrza z palnym gazem CNG oraz czujniki mierzące spadek ciśnienia mieszanki w chłodnicy.

   3