RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 199883 (21) Numer zgłoszenia: 347572 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: 09.11.1999 (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: 09.11.1999, PCT/SE99/02029 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: 18.05.2000, WO00/28203 PCT Gazette nr 20/00 (51) Int.Cl. F02M 25/07 (2006.01) (54) Sposób recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego i zawór stosowany w sposobie recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego (30) Pierwszeństwo: 09.11.1998,SE,9803827-6 07.12.1998,SE,9804240-1 (43) Zgłoszenie ogłoszono: 08.04.2002 BUP 08/02 (73) Uprawniony z patentu: STT EMTEC AB,Sundsvall,SE (72) Twórca(y) wynalazku: Ingemar Eriksson,Kvissleby,SE Micael Blomquist,Kvissleby,SE (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.11.2008 WUP 11/08 (74) Pełnomocnik: Kowal Elżbieta, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o. PL 199883 B1 (57) Przedmiotem wynalazku jest sposób recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego, w którym część spalin zawraca się z rury wydechowej i kieruje poprzez przewód recyrkulacyjny do sterowanego urządzenia zaworowego umieszczonego pomiędzy silnikiem i wlotem powietrza do silnika. Powietrze i spaliny podlegające recyrkulacji podaje się do komory spalania silnika w żądanej proporcji poprzez urządzenie zaworowe posiadające przepustnice umieszczone w kanałach wlotowych spalin i powietrza. Co najmniej jedną przepustnicę zawsze utrzymuje się w otwartym położeniu, a drugą zamyka się za pomocą silnika napędowego. Sposób charakteryzuje się tym, że przepuszczania przez przepustnice (20, 21) części spalin poddanych recyrkulacji powietrza, prowadzi się przy uruchomionej każdorazowo jednej z przepustnic (20, 21) za pomocą wspólnego dla obu przepustnic (20, 21) silnika (22), którą utrzymuje się w położeniu pomiędzy położeniem otwarcia i położeniem zamknięcia. Przedmiotem wynalazku jest również zawór stosowany w sposobie recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego zawierający dwa kanały wlotowe w których są umieszczone przepustnice. Co najmniej jedna z przepustnic jest zawsze w położeniu otwartym, a z przepustnicami jest połączony silnik. Zawór charakteryzuje się tym, że silnik (22) współdziała każdorazowo z jedną z przepustnic (20, 21), przy czym przepustnica jest ruchoma od położenia otwarcia do położenia zamknięcia.
2 PL 199 883 B1 Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego i zawór stosowany w sposobie recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego. Znane jest dążenie do zmniejszania zawartości niebezpiecznych spalin zwłaszcza tlenku azotu (NOx) w wielu typach silników spalinowych poprzez zastosowanie tzw. systemów recyrkulacji EGR. W takich układach dopuszcza się częściową recyrkulację spalin do układu ssącego silnika, gdzie spaliny miesza się z zasysanym powietrzem i przenosi dalej do komory spalania silnika. Spaliny poddane recyrkulacji zastępują część zasysanego powietrza i powodują zmniejszenie powstawania tlenków azotu NOx. Tzw. recyrkulacyjny zawór EGR połączony z układem wydechowym silnika służy do regulacji ilości spalin poddanych recyrkulacji. Z opisu patentowego w DE 4 007 516 znane jest rozwiązanie umożliwiające zastosowanie systemu recyrkulacji spalin w silnikach wysokoprężnych z doładowaniem, gdzie ciśnienie w układzie ssawnym za sprężarką doładowującą jest wyższe od ciśnienia w przewodzie recyrkulacyjnym od zaworu EGR. W urządzeniu zaworowym zastosowano oddzielne przepustnice umieszczone w kanale cyrkulacji spalin i w kanale zasysania powietrza. Dla przepustnic zastosowano oddzielne silniki napędowe, co komplikuje działanie urządzenia zaworowego, a także jego urządzenie sterujące. Sposób recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego, według wynalazku, w którym część spalin zawraca się z rury wydechowej i kieruje poprzez przewód recyrkulacyjny do sterowanego urządzenia zaworowego umieszczonego pomiędzy silnikiem i wlotem powietrza do silnika, przy czym powietrze i spaliny podlegające recyrkulacji podaje się do komory spalania silnika w żądanej proporcji poprzez urządzenie zaworowe posiadające przepustnice umieszczone w kanałach wlotowych spalin i powietrza, przy czym co najmniej jedną przepustnicę zawsze utrzymuje się w otwartym położeniu, a drugą zamyka się za pomocą silnika napędowego, charakteryzuje się tym, że przepuszczania przez przepustnice powietrza/ części spalin poddanych recyrkulacji prowadzi się przy uruchomionej każdorazowo jednej z przepustnic za pomocą wspólnego dla obu przepustnic silnika, którą utrzymuje się w położeniu pomiędzy położeniem otwarcia i położeniem zamknięcia. Podaje się powietrze i spaliny z recyrkulacji w proporcji sterowanej za pomocą urządzenia sterującego, sprzęgniętego z zaworem, przy czym proporcje ustala się w oparciu o informacje od czujników o aktualnym stanie roboczym silnika. Spaliny usytuowane w przewodzie recyrkulacyjnym chłodzi się w chłodnicy umieszczonej w przewodzie recyrkulacyjnym. Zawór stosowany w sposobie recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego, według wynalazku, zawierający dwa kanały wlotowe w których są umieszczone przepustnice, przy czym co najmniej jedna z przepustnic jest zawsze w położeniu otwartym, a z przepustnicami jest połączony silnik, charakteryzuje się tym, że silnik współdziała każdorazowo z jedną z przepustnic, przy czym przepustnica jest ruchoma od położenia otwarcia do położenia zamknięcia. Korzystnie silnik jest skokowy. Obie przepustnice w położeniu prawidłowym są dociskane sprężynami do położenia otwartego. Pierwsza przepustnica jest usytuowana na pierwszej osi zaworu, zaś na drugiej osi zaworu jest umieszczona druga przepustnica, przy czym pierwsza i druga oś są koncentryczne i są uruchamiane silnikiem. Pierwsza oś jest połączona z pierwszym ramieniem przestawiania przepustnicy, a druga oś z drugim ramieniem przestawiania, a ponadto zawór ma sworzeń napędowy ruchomy silnikiem do obracania pierwszej osi i drugiej osi, który współdziała z pierwszym i drugim ramieniem przestawiania sterując położeniem przepustnic. Korzystnym jest gdy zawór ma sprężyny współdziałające z ramionami przestawiania, zaś każda przepustnica jest uruchamiana sprężyną w otwarte położenie. Zaletą proponowanego rozwiązania jest zapewnienie niezawodnej i prostej regulacji stosunku powietrza do ilości spalin poddanych recyrkulacji. Proponowany zawór jest dostosowany do układu recyrkulacji spalin EGR dla silników wysokoprężnych, w tym silników wysokoprężnych z doładowaniem. Obecny aspekt wynalazku dostarcza ulepszoną ogólną regulację silnika oraz daje mniejszą ilość zanieczyszczeń. Zastosowanie systemu recyrkulacji EGR przewidziane obec-
PL 199 883 B1 3 nym wynalazkiem w silniku zaopatrzonym w katalizator i filtr cząstek stałych według znanych rozwiązań daje zasadnicze zmniejszenie zawartości tlenków NOx. Takie zmniejszenie może dochodzić do 50% i umożliwia poprawę jakości istniejących silników wysokoprężnych w dostosowaniu do obecnych wymagań w zakresie emisji i poprawę jakości nowoczesnych silników wysokoprężnych w dostosowaniu do przyszłych wymagań w zakresie emisji. Przedmiot wynalazku jest opisany w przykładach wykonania na podstawie rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematycznie system recyrkulacji EGR z zastosowaniem elementów według wynalazku, fig. 2a - zawór według wynalazku w pierwszym skrajnym położeniu, w przekroju, fig. 2b - zawór według fig. 2a, w przekroju B-B, fig. 3a - zawór według wynalazku, w środkowym położeniu, widziany w przekroju, fig. 3b - zawór według fig. 3a, w przekroju B-B, fig. 4a - zawór według wynalazku w drugim skrajnym położeniu, w przekroju, fig. 4b - zawór według fig. 4a, w przekroju B-B. Na fig. 1 przedstawiono schematycznie istotne dla wynalazku części silnika spalinowego 1. W wybranym przykładzie jest to silnik wysokoprężny z turbodoładowaniem, lecz jak wspomniano uprzednio, może to być silnik wysokoprężny bez doładowywania lub silnik wysokoprężny z innym rodzajem ładowania niż sprężarka doładowująca. Powietrze dopływające do silnika 1 poprzez wlot powietrza, filtr powietrza 2 jest kierowane przez kanał wlotowy powietrza 3 do turbosprężarki 4 doładowującej, po czym powietrze przechodzi poprzez chłodnicę międzystopniową 5, gdzie ochładza się przed wprowadzeniem w silnik 1. Spaliny z silnika 1 wypływają po drugiej stronie sprężarki doładowującej 4, mianowicie po stronie napędowej i następnie przechodzą poprzez rurę wydechową 6, katalizator 7, filtr cząstek stałych 8, i ostatecznie ulatują do atmosfery poprzez rurę końcową 9. Z rury końcowej 9, tzn. z przedłużenia rury wydechowej za katalizatorem i filtrem cząstek stałych występuje odgałęzienie oraz przewód recyrkulacyjny 10, przez który zawraca się część spalin do silnika. Przewód recyrkulacyjny 10 odpowiednio przechodzi poprzez chłodnicę 11 w celu schłodzenia spalin poddawanych recyrkulacji i łączy się z kanałem wlotowym powietrza 3 poprzez zawór 12 sterowany za pomocą urządzenia sterującego EGR 13. Zawór 12 może za pomocą urządzenia sterującego PGR 13 regulować stosunek dostarczanej ilości świeżego powietrza z kanału wlotowego powietrza 3 i dostarczanej ilości recyrkulowanych spalin z przewodu recyrkulacyjnego 10. Urządzenie sterujące EGR 13, które reguluje pracę zaworu 12, odbiera informacje o aktualnym stanie roboczym silnika z czujnika Lambda 14, czujnika 15 o ilości obrotów silnika i z czujnika 16 o obciążeniu. Urządzenie sterujące zaprogramowano do sterowania zaworu 12 w zakresie stosunku mieszania świeżego powietrza i spalin, dla zmniejszenia zawartości substancji niebezpiecznych, opuszczających rurę końcową 9 i emitowanych do atmosfery. Programowanie urządzenia sterującego EGR 13 wykonuje się w znany sposób w odniesieniu do relacji pomiędzy różnymi czynnikami podanymi powyżej. W dobrze znany sposób, czujnik Lambda dostarcza sygnał wyjściowy zmieniający się wraz z zawartością tlenu w spalinach. Czujnik obciążenia silnika 16 może być przykładowo czujnikiem położenia przepustnicy lub czujnikiem wykrywającym ilość paliwa wtryskiwanego do silnika. Oprócz tego można również zastosować inne czujniki poprawiające regulację. Korzystnie stosuje się oddzielny zawór w kanale wlotowym powietrza 3 i w przewodzie recyrkulacyjnym 10. Zawory te będą w tym przypadku oddzielnie sterowane przez urządzenie sterujące EGR 13. Alternatywnie, zawór 12 może również tworzyć zespół, w którym przepływy z kanału wlotowego powietrza 3, a z przewodu recyrkulacyjnego 10 będą selektywnie się łączyć za pomocą zaworów we wspólny wypływ, który dalej przenosi się do sprężarki doładowującej w celu ładowania i wprowadzenia w silnik poprzez chłodnicę między stopniową 5. Zawór 12 stanowi szczególną część tego wynalazku i będzie poniżej opisane bardziej szczegółowo. Zawór 12 przedstawiony na fig. 2-4 jest rodzajem zaworu mieszającego do mieszania dwóch dopływających cieczy w taki sposób, aby dopływająca ciecz w jednym z dwóch kanałów wlotowych była regulowana od zera do maksimum, a ciecz w drugim kanale wlotowym była regulowana od maksimum do zera. Na fig. 2-4 kanał wlotowy powietrza 3 połączono do drugiego kanału wlotowego 18 zaworu, natomiast przewód recyrkulacyjny 10 połączono do pierwszego kanału wlotowego powietrza 17 zaworu. W zaworze ponadto występuje kanał wylotowy 19, który w obecnym przykładzie wykonania przenosi gazy zmieszane w zaworze do sprężarki doładowującej 4. W obu kanałach wloto-
4 PL 199 883 B1 wych 17 i 18 występują przepustnice 20 i 21, wychylane pomiędzy otwartym i zamkniętym położeniem za pomocą silnika 22, na przykład silnika skokowego, w celu otwarcia lub zamknięcia kanałów wlotowych. Obie przepustnice 20, 21 są umieszczone na koncentrycznych osiach 23, 24 obracanych za pomocą silnika 22 oraz sworznia napędowego 25 napędzanego przez silnik, przy czym wspomniany sworzeń wychyla ramiona przestawiania 26, 27 połączone do odpowiednich osi 23 i 24. Ramiona przestawiania 26, 27 są dociskane co najmniej jedną sprężyną 28, 29 w normalnym położeniu pokazanym na fig. 3, w którym przepustnice 20, 21 pozostają w otwartym ustawieniu kanałów wlotowych 17, 18. W początkowym położeniu pokazanym na fig. 2a, 2b, silnik 22 obrócił przepustnicę 20 do zamkniętego położenia za pomocą sworznia napędowego 25 oraz ramienia przestawiania 26, i zamknął pierwszy kanał wlotowy 17 połączony z przewodem recyrkulacyjnym 10, a spaliny nie cyrkulują do sprężarki doładowującej oraz silnika spalinowego. Drugie ramie przestawiania 27 utrzymuje w normalnym położeniu sprężyna 29 co oznacza, że przepustnica 21 w drugim kanale wlotowym 18 połączonym z kanałem wlotowym powietrza 3 utrzymuje się w swym normalnym otwartym położeniu i umożliwia swobodny przepływ wlotowego powietrza poprzez zawór i kanał wylotowy 19 do sprężarki doładowującej. Silnik 22 kontrolowany jest przez urządzenie sterujące EGR 13, dla regulacji stosunku świeżego powietrza przepływającego przez kanał wlotowy powietrza 3 i recyrkulowanych spalin przepływających przez przewód recyrkulacyjny 10. W położeniu z otwartą przepustnicą 21 silnik 22 może obracać, za pomocą sworznia napędowego 25 i ramienia przestawiania 26, przepustnicę 20 z położenia całkowitego zamknięcia pokazanego na fig. 2a, 2b do położenia pokazanego na fig. 3a, 3b, gdzie również przepustnica 20 znajduje się w takim położeniu, że otwarty jest także pierwszy kanał wlotowy 17. Silnik nastawczy może ustawiać przepustnicę 20 w dowolnym położeniu pomiędzy tymi dwoma położeniami skrajnymi. Na fig. 3a, 3b pokazano normalne położenie silnika 20, gdzie sworzeń napędowy 25 silnika nastawczego nie porusza żadnego ramienia przestawienia 26, 27, które są utrzymywane sprężynami 28, 29 w normalnym położeniu, przy czym przepustnice 20, 21 otwierają oba kanały wlotowe 17, 18. Na fig. 4a, 4b przedstawiono położenie przeciwstawne do jednego z pokazanych na fig. 2a, 2b. Silnik 22 obrócił przepustnicę 21 za pomocą sworznia napędowego 25 i ramienia przestawienia 27 do zamkniętego położenia co oznacza, że nastąpiło przerwanie połączenia kanału wlotowego powietrza 3 z kanałem wylotowym 19, natomiast pierwszy kanał wlotowy powietrza 17 połączony do przewodu recyrkulacyjnego 10 jest całkowicie otwarty i umożliwia swobodny przepływ recyrkulowanych spalin dalej poprzez kanał wylotowy do sprężarki doładowującej 4 oraz dalej, do silnika spalinowego. Jednakże za pomocą silnika 22 przepustnica 21 może być ustawiona w każdym pośrednim położeniu pomiędzy dwoma położeniami skrajnymi, przedstawionymi na fig. 3 i 4, umożliwiając zmieszanie żądanej ilości świeżego powietrza kontrolowanej przez urządzenie sterujące EGR 13 z recyrkulowanymi spalinami. Tak więc w zaworze według wynalazku w prosty sposób umożliwiono kontrolowanie zaworu trój drogowego, posiadającego dwa wloty oraz normalne położenie, w którym oba wloty są otwarte, jeden z wlotów może być regulowany bezstopniowo, a drugi wlot utrzymywany w otwartym położeniu. Zawór może być regulowany w inny sposób niż za pomocą opisanego powyżej urządzenia sterującego EGR 13, i może być użyty w zupełnie odmiennych połączeniach niż opisane, gdzie pożądane jest odpowiednie kontrolowanie właściwości. W sposobie regulacji zgodnie z wynalazkiem zastosowano urządzenie sterujące zasilane informacją z czujnika Lambda 14, czujnika prędkości silnika 15 i czujnika obciążenia 16. Zawór 12 jest umieszczony pomiędzy filtrem powietrza i kanałem wlotowym silnika i może również, posiadać oddzielny zawór w kanale wlotowym powietrza i w przewodzie recyrkulacyjnym lub trójdrogowy zawór typu również opisanego powyżej. Zaworem steruje się w analogiczny sposób jak również opisano powyżej, a urządzenie sterujące może kontrolować, w oparciu o odbierane sygnały wejściowe, stosunek powietrza i paliwa silnika, poprzez regulację ilości wprowadzanego powietrza i równoczesną regulację proporcji dostarczanego świeżego powietrza i recyrkulowanych spalin. W tym aspekcie wynalazek stosuje się bez doładowywania. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego, w którym część spalin zawraca się z rury wydechowej i kieruje poprzez przewód recyrkulacyjny do sterowanego urządzenia zaworowego
PL 199 883 B1 5 umieszczonego pomiędzy silnikiem i wlotem powietrza do silnika, przy czym powietrze i spaliny podlegające recyrkulacji podaje się do komory spalania silnika w żądanej proporcji poprzez urządzenie zaworowe posiadające przepustnice umieszczone w kanałach wlotowych spalin i powietrza, przy czym co najmniej jedną przepustnicę zawsze utrzymuje się w otwartym położeniu, a drugą zamyka się za pomocą silnika napędowego, znamienny tym, że przepuszczania przez przepustnice (20, 21) części spalin poddanych recyrkulacji/ powietrza, prowadzi się przy uruchomionej każdorazowo jednej z przepustnic (20, 21) za pomocą wspólnego dla obu przepustnic (20, 21) silnika (22), którą utrzymuje się w położeniu pomiędzy położeniem otwarcia i położeniem zamknięcia. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że podaje się powietrze i spaliny z recyrkulacji w proporcji sterowanej za pomocą urządzenia sterującego (13), sprzęgniętego z zaworem (12), przy czym proporcje ustala się w oparciu o informacje z czujników (14, 15, 16) o aktualnym stanie roboczym silnika (1). 3. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że spaliny usytuowane w przewodzie recyrkulacyjnym (10) chłodzi się w chłodnicy (11) umieszczonej w przewodzie recyrkulacyjnym (10). 4. Zawór stosowany w sposobie recyrkulacji części spalin silnika wysokoprężnego zawierający dwa kanały wlotowe w których są umieszczone przepustnice, przy czym co najmniej jedna z przepustnic jest zawsze w położeniu otwartym, a z przepustnicami jest połączony silnik, znamienny tym, że silnik (22) współdziała każdorazowo z jedną z przepustnic (20, 21), przy czym przepustnica jest ruchoma od położenia otwarcia do położenia zamknięcia. 5. Zawór według zastrz. 4, znamienny tym, że silnik (22) jest skokowy. 6. Zawór według zastrz. 4, znamienny tym, że obie przepustnice (20, 21) w położeniu prawidłowym są dociskane sprężynami (28, 29) do położenia otwartego. 7. Zawór według zastrz. 6, znamienny tym, że pierwsza przepustnica (20) jest usytuowana na pierwszej osi (23) zaworu (12), zaś na drugiej osi (24) zaworu (12) jest umieszczona druga przepustnica (21), przy czym pierwsza i druga oś (23, 24) są koncentryczne i są uruchamiane silnikiem (22). 8. Zawór według zastrz. 7, znamienny tym, że pierwsza oś (23) jest połączona z pierwszym ramieniem przestawiania (26) przepustnicy, a druga oś (24) z drugim ramieniem przestawiania (27), a ponadto zawór (12) ma sworzeń napędowy (25) ruchomy silnikiem (22) do obracania pierwszej osi (23) i drugiej osi (24), który współdziała z pierwszym i drugim ramieniem przestawiania (26, 27) sterując położeniem przepustnic (20, 21) 9. Zawór według zastrz. 8, znamienny tym, że ma współdziałające z ramionami przestawiania (26, 27), sprężyny (28, 29), zaś każda przepustnica (20, 21) jest uruchamiana sprężyną (28, 29) w otwarte położenie. Rysunki
6 PL 199 883 B1 Departament Wydawnictw UP RP Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.