PL 224833 B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 224833 (13) B1 Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (21) Numer zgłoszenia: 409374 (22) Data zgłoszenia: 04.09.2014 (51) Int.Cl. F02M 27/04 (2006.01) C25B 1/04 (2006.01) F02M 25/12 (2006.01) (54) Sposób i urządzenie do oczyszczania spalin silnika (43) Zgłoszenie ogłoszono: 14.03.2016 BUP 06/16 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 28.02.2017 WUP 02/17 (73) Uprawniony z patentu: GACKOWSKI JAN, Mierzyn, PL OSINA EDWARD, Mierzyn, PL PAZUREK ANDRZEJ, Tarnów, PL (72) Twórca(y) wynalazku: JAN GACKOWSKI, Mierzyn, PL EDWARD OSINA, Mierzyn, PL ANDRZEJ PAZUREK, Tarnów, PL (74) Pełnomocnik: rzecz. pat. Tadeusz Kachnic
2 PL 224 833 B1 Opis wynalazku Wynalazek dotyczy silnika spalinowego z co najmniej jednym cylindrem tłokowym, a jego przedmiotem jest sposób i urządzenie do oczyszczania spalin w silnikach o zapłonie iskrowym i samoczynnym. W silnikach spalinowych, wskutek spalania ciekłych nośników energii w komorze spalania cylindra, powstają substancje szkodliwe, takie jak przykładowo tlenek azotu (NO x ), dwutlenek węgla (CO 2 ), cząstki sadzy lub pyłu, które zanieczyszczają środowisko. Obecnie w większości rozwiniętych krajów obowiązują przepisy (normy Euro 5 i Euro 6) dotyczące poziomu wydzielania spalin wydechowych przez pojazdy silnikowe, a zwłaszcza samochody osobowe. Stopniowo zmniejszany jest dopuszczalny poziom zanieczyszczeń, a tym samym zwiększane są wymagania dotyczące kontroli procesu spalania zachodzącego w silnikach spalinowych. Kontrolę spalin przeprowadza się przy niskim i średnim obciążeniu silnika, to znaczy wtedy gdy kontrola procesu spalania jest najtrudniejsza. Silniki wewnętrznego spalania, takie jak silniki pracujące na benzynie i paliwie do silników wysokoprężnych, wytwarzają niedopuszczalnie wielkie ilości zanieczyszczeń, niebezpiecznych dla ludzkiego zdrowia i szkodzących ziemskiej atmosferze. Woda bardzo szybko pojawiła się jako interesujący dodatek lub częściowy substytut benzyny czy oleju napędowego. Woda jest cieczą tanią i nietoksyczną która okazała się zdatna dla celów zmniejszenia zużycia paliw, jak również dla celów zmniejszenia emisji zanieczyszczeń widzialnych jak i niewidocznych. Mimo tych wymienionych powyżej zalet, dotychczas nie zastosowano przemysłowo na wielką skalę, w konkretnych zastosowaniach, żadnego paliwa woda/węglowodory, ze względu na trudności występujące podczas eksploatacji. Pierwsze z proponowanych rozwiązań polegało na oddzielnym przechowywaniu wody i paliwa w samochodzie i mieszaniu ich w momencie stosowania. Rozwiązanie to wymaga zamontowania w samochodzie złożonych i skomplikowanych urządzeń do mieszania i specyficznych dawek. Koszt, wymiary i wrażliwość takich urządzeń wydają się kompletnie niepraktyczne, aby można było podejmować prace nad praktycznym wdrożeniem takiego rozwiązania. Drugie podejście polega na zastosowaniu gotowych mieszanek wody i paliwa, ale to wiąże się ze znacznymi problemami z przechowywaniem i stabilnością takich mieszanek w warunkach temperatury w zakresie od -20 C do +70 C, oraz trwałością w warunkach stosowania emulsji w zbiorniku. Istnieją także liczne, zakończone niepomyślnie propozycje techniczne dotyczące paliw emulsyjnych, zawierających wodę i bardziej ogólnie nowych paliw nie zanieczyszczających o zmniejszonym zużyciu. Obecnie znane są zarówno sposoby jak i układy oraz urządzenia, wtryskujące wodę do cylindra silnika lub do kolektora dolotowego, oddzielnym wtryskiwaczem lub tym samym, lecz z oddzielną dyszą na wodę. Znane są także sposoby zasilania silników spalinowych o zapłonie samoczynnym emulsją paliwowo-wodną przygotowywaną w oddzielnym procesie. Sposoby te prowadzą co prawda do poprawy ekonomiczności eksploatacji poprzez zmniejszenie zużycia paliwa, ale skutki ekologiczne są niezadawalające i niewspółmierne do oczekiwań, głównie z powodu braku sterowania kryterialnego wtryskiem wody. Brak optymalizacji i stabilności emulsji paliwowo-wodnej powoduje ograniczony (a więc niższy od spodziewanego) spadek emisji tlenków azotu w spalinach wydalanych do atmosfery, a także, podobnie jak w przypadku rozwiązań z wtryskiem bezpośrednim wody, korozyjne oddziaływanie wody, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia żywotności silnika i obniżenia jego wskaźników niezawodnościowych. Znane jest rozwiązania gdzie zamiast wody stosowane są wytworzone gazy tworzące cząsteczkę wody H 2 O, i tak z europejskiego opisu patentowego PL/EP nr 2 032 826 znany jest silnik spalinowy zawierający bliźniacze wtryskiwacze gazu z dwoma otworami wlotowymi, dla oddzielnego doprowadzania gazu wodorowego i gazu tlenowego do komory spalania cylindra tłokowego, przy czym obudowa jest zaopatrzona w dwa, sterowane ciśnieniowo i czasowo, elektryczne zawory wlotowe, i przyporządkowane iglice dysz, a płaszcz komory spalania tworzy katalizator. Rozwiązanie przedstawione w opisie patentowym PL/EP nr 2 032 826 charakteryzuje się szeregiem niedogodności jak to, że gaz wodorowy i gaz tlenowy wprowadzane są bezpośrednio do cylindra czyli do komory spalania do cylindrów silnika co nie jest korzystne z punktu widzenia procesu spalania. Ponadto trzeba stosować specjalny skład dodatków do wtryśnięcia (alkohole typu etanol, metanol, katalizatory itp.) Do pracy z takimi dodatkami jest potrzebny katalizator. Koszt wytworzenia takie-
PL 224 833 B1 3 go dodatku przewyższa koszt oszczędności z tytułu mniejszego spalania. Musiałaby również powstać odpowiednia infrastruktura, sieć sprzedaży np. na stacjach benzynowych. Poważną wadą tego rozwiązania jest również potrzeba przystosowania takiego silnika do spalania dodatków i stosowania drogich katalizatorów. Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i urządzenia do wytwarzania, tylko podczas pracy silnika spalinowego, gazu wodorowego i gazu tlenowego w ilości proporcjonalnej do obciążenia silnika spalinowego, w celu dopalania szkodliwych substancji powstających w procesie standardowego spalania paliw w silniku spalinowym, bez konieczności magazynowania gazów podczas pracy silnika. Sposób oczyszczania spalin silnika według wynalazku charakteryzuje się tym, że podczas pracy silnika, w procesie elektrolizy, z elektrolitu wytwarza się gazowy tlen i wodór, w ilości proporcjonalnej do obciążenia i obrotów silnika, który po wymieszaniu wraz z powietrzem podawany jest do filtra powietrza silnika a następnie mieszaninę gazów wtryskuje się do komory spalania wraz z paliwem, przy czym ilość paliwa jest proporcjonalnie obniżana o wartość procentową (wagową) wprowadzonego gazu wodorowego i gazu tlenowego razem. Ilość wtryskiwanego paliwa regulowana jest poprzez określoną korektę sygnału z czujnika sondy lambda, w zależności od poziomu zawartości tlenu w spalinach. Elektrolit wodny stanowiący roztwór wody destylowanej H 2 O z wodorotlenkiem potasu KOH, uzyskuje się poprzez dodanie od 3 do 8% wagowych wodorotlenku potasu KOH na jeden litr wody destylowanej H 2 O. Ilość wytwarzanego gazu wodorowego i gazu tlenowego, w procesie elektrolizy, regulowana jest przez odpowiednio nastawiany poziom natężenia prądu elektrycznego w procesie elektrolizy. Wartość nastawianego natężenia prądu elektrycznego, w procesie elektrolizy, wynosi od 10 do 80A. Sposób według wynalazku pozwala na całkowicie kontrolowany przebieg reakcji elektrolizy, a wyeliminowanie magazynowania wytwarzanych gazów podczas pracy silnika pozwala na całkowicie bezpieczną eksploatację silnika, mimo że mieszanina gazów tlenu z wodorem jest mieszaniną wybuchową. Sposób eliminuje nadprodukcję gazów której magazynowanie jest przyczyną wybuchów. Zastosowany sposób pozwala na uzyskanie emisji czystych spalin (od 85 do 98% czystości) podczas eksploatacji silnika. W wyniku procesu doczyszczania spalin za pośrednictwem gazu wodorowego i gazu tlenowego w spalinach powstaje przegrzana sucha para a silnik charakteryzuje się cichszą pracą oraz obniżeniem temperatury pracy. Sposób według wynalazku pozwala na obniżenie zużycia paliwa w granicach od 10 do 15%, oraz wzrost mocy silnika, wskutek niemal całkowitego spalenia mieszanki paliwowej w komorze spalania cylindrów. W procesie elektrolizy wykorzystuje się elektrolit składający się z wody destylowanej i wodorotlenku potasu KOH w ilości od 3 8% na litr wody H 2 O, przy czym stężenie KOH ma decydujący wpływ na wysokość natężenia prądu elektrycznego podczas procesu elektrolizy. Im wyższe stężenie tym większa wartość natężenia prądu elektrycznego. Ilość wytwarzanego gazu wodorowego i gazu tlenowego jest ściśle kontrolowana, aby nie występowała nadprodukcja w stosunku do aktualnego zapotrzebowania przez silnik, przy uwzględnieniu jego obrotów i ciśnienia. Dlatego nie jest potrzebny w urządzeniu jakikolwiek zbiornik na magazynowanie wytwarzanych gazów, co eliminuje niebezpieczeństwo wybuchu gazów. Urządzenie do oczyszczania spalin w silniku, według wynalazku, charakteryzuje się tym, że zawiera naczynie do elektrolizy ze zbiornikiem elektrolitu, pompą dozującą elektrolit oraz sterownikiem, ponadto elektrolizer połączony jest z pompą obiegu elektrolitu i chłodnicą elektrolitu, oraz za pośrednictwem regulatora PWM ze sterownikiem, jednocześnie pompa dozująca elektrolit połączona jest ze sterownikiem, elektrolizer połączony jest również z zespołem filtra i separatora gazów wodorowego i tlenowego, a wyjście zespołu filtra i separatora gazów połączone jest przewodem gazowym z filtrem powietrza silnika, natomiast panel sterujący połączony jest ze sterownikiem. Panel sterujący zawiera blok pamięci oraz komunikatory dźwiękowe i optyczne. Sterownik połączony jest z komputerem sterującym pracą silnika, rezystorem pedału przyśpieszenia silnika lub przepływomierzem MAP/MAF (diesel), sondą, a zasilany jest z akumulatora. Przedmiot wynalazku został uwidoczniony na załączonym rysunku, gdzie fig. 1 przedstawia schemat blokowy silnika spalinowego z urządzeniem do oczyszczania spalin, bez ingerencji w układ silnika, fig. 2 przedstawia schemat blokowy silnika spalinowego z urządzeniem do oczyszczania
4 PL 224 833 B1 spalin, z potencjometrem przepustnicy paliwa TPS, fig. 3 przedstawia funkcjonalny schemat blokowy urządzenia do oczyszczania spalin. Urządzenie zawiera naczynie do elektrolizy 1 ze zbiornikiem elektrolitu 2 wyposażone w czujnik poziomu elektrolitu 20, sterownik 6 oraz pompę dozującą elektrolit 3. Elektrolit stanowi woda destylowana z dodatkiem rozpuszczonego wodorotlenku potasu w ilości 5 gram wodorotlenku potasu KOH na jeden litr wody destylowanej H 2 O. Naczynie do elektrolizy 1 połączone jest jednocześnie z pompą obiegu elektrolitu 4 i chłodnicą elektrolitu 5 oraz regulatorem PWM 7. Króciec wyjściowy gazów wodorowego i gazu tlenowego z naczynia do elektrolizy 1 połączony jest z zespołem filtra i separatora gazów 8, w którym zamontowany jest również bezpiecznik nadmiarowy ciśnienia. Natomiast zespół filtra i separatora 8, za pośrednictwem przewodów gazowych 9, połączony jest z filtrem powietrza 10 silnika spalinowego 23. Ze sterownikiem 6 połączony jest czujnik 20 usytuowany w naczyniu do elektrolizy 1, regulator mocy PWM 7, potencjometr przepustnicy paliwa TPS (pedału przyśpieszenia gazu) 12 lub czujnik sondy 14, zasilanie z akumulatora 15 oraz czujnik ciśnienia gazów 16, natomiast sterownik 6 połączony jest z komputerem silnika 11. Silnik spalinowy zawiera zbiornik paliwa 17, wtryskiwacze 18, filtr powietrza 10, przepływomierz MAP/MAF (diesel) 13 i potencjometr przepustnicy paliwa TPS (pedału przyśpieszenia 1 gazu) 12, sondę 14, akumulator 15, alternator 19 oraz komputer silnika 11 sterujący pracą silnika oraz układ wydechowy 21. W urządzeniu zastosowano dwa czujniki ciśnienia tj. mechaniczny który jest czujnikiem nadmiarowym i reaguje powyżej 0,2 atm. Czujnik elektroniczny (Motorola) monitoruje ciśnienie w instalacji gazowej. W przypadku wzrostu ciśnienia gazów ponad zaprogramowany próg (np. zagięty przewód gazowy) przesyła on informację do panelu sterującego 22 wskutek czego następuje zmniejszenie natężenia prądu elektrycznego w procesie elektrolizy, a co za tym idzie zmniejszenie ilości wytwarzanych gazów. Gdy jednak następuje dalszy wzrost ciśnienia gazów urządzenie zostaje wyłączone. Ponowne uruchomienie do pracy urządzenia nastąpi po usunięciu przyczyny usterki. Urządzenie wytwarza gazy tylko podczas pracy silnika spalinowego. Korekta dawki paliwa polega na przejęciu sygnału (napięcia) z sondy lambda i dodaniu korekty (dodanie do sygnału sondy napięcia 0,1 do 0,9V) i tak zmodyfikowane napięcie podawane jest do komputera auta. Podane napięcie do komputera powoduje to, że komputer uzna że mieszanka paliwowa jest za bogata (częściowa mamy do czynienia z takim stanem, ponieważ podaje się do mieszanki paliwowej tlen i wodór z procesu elektrolizy) na co komputer reaguje zmniejszeniem dawki paliwa. Zasada korekcji dawki paliwa jest identyczna w silnikach benzynowych i w silnikach diesla. Jedyną różnicą jest to, że w silniku diesla korzystamy z czujnika przepływu powietrza MAP/MAF. Odmianą urządzenia jest układ bez potencjometru przepustnicy paliwa TPS, tj. bez ingerencji w układ silnika. Nie wprowadza się żadnej korekty na wskazania czujnika sondy lambda, a po doprowadzeniu gazu tlenowodorowego do silnika następuje wzrost obrotów silnika. Kierowca w takim przypadku, aby utrzymać dotychczasowe tempo jazdy, zwalnia nacisk na pedał gazu tj. zmniejsza otwarcie przepustnicy paliwa doprowadzając silnik do obrotów które występowały w momencie przed podaniem gazu tlenowodorowego do silnika. Wyposażenie silnika w urządzenie bez potencjometru przepustnicy paliwa TPS, zalecane jest do silników nowej generacji ze sterowaniem tzw. Common Rail, szczególnie do nowych samochodów na gwarancji z powodu braku ingerencji w instalację silnika. W tym przypadku mamy do czynienia z sytuacją gdzie mniejsze obroty wymagają mniejszej liczby wtrysków paliwa, co powoduje zmniejszenie zużycia ciekłego paliwa. Urządzenie do oczyszczania spalin silnika usytuowane jest w przedziale silnikowym samochodu, bez ingerencji w konstrukcję silnika i nie wymaga żadnej infrastruktury. Zastrzeżenia patentowe 1. Sposób oczyszczania spalin silnika polegający na dopalaniu gazów w układzie wydechowym, znamienny tym, że podczas pracy silnika /23/, w procesie elektrolizy, z elektrolitu wodnego wytwarza się gazowy tlen i wodór, w ilości proporcjonalnej do obciążenia i obrotów silnika /23/, który po wymieszaniu wraz z powietrzem podawany jest do filtra /10/ a następnie mieszaninę gazów wtryskuje się do komory spalania wraz z paliwem, przy czym ilość paliwa jest proporcjonalnie obniżana o wartość procentową wprowadzonego gazu wodorowego i gazu tlenowego razem.
PL 224 833 B1 5 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość wtryskiwanego paliwa regulowana jest poprzez określoną korektę sygnału z czujnika sondy lambda /14/, w zależności od poziomu zawartości tlenu w spalinach. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że elektrolit wodny stanowiący roztwór wody destylowanej H 2 O z wodorotlenkiem potasu KOH, uzyskuje się poprzez dodanie od 3 do 8% wagowych wodorotlenku potasu KOH na jeden litr wody destylowanej H 2 O. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ilość wytwarzanego gazu wodorowego i gazu tlenowego, w procesie elektrolizy, regulowana jest przez odpowiednio nastawiany poziom natężenia prądu elektrycznego w procesie elektrolizy. 5. Sposób według zastrz. 1 i 3, znamienny tym, że wartość nastawianego natężenia prądu elektrycznego, w procesie elektrolizy, jest kształtowana od 10 do 80A. 6. Urządzenie do oczyszczania spalin silnika, znamienne tym, że zawiera naczynie do elektrolizy /1/ ze zbiornikiem elektrolitu /2/, pompą dozującą elektrolit /3/ oraz sterownikiem /6/, ponadto naczynie do elektrolizy /1/ połączone jest z pompą obiegu elektrolitu /4/ i chłodnicą elektrolitu /5/, oraz za pośrednictwem regulatora mocy PWM /7/ ze sterownikiem /6/, jednocześnie pompa dozująca elektrolit /3/ połączona jest ze sterownikiem /6/, naczynie do elektrozy /1/ połączone jest również z zespołem filtra i separatora gazów /8/ wodorowego i tlenowego, a wyjście zespołu filtra i separatora gazów /8/ połączone jest przewodem gazowym /9/ z filtrem powietrza /10/ silnika /23/, natomiast panel sterujący /22/ połączony jest ze sterownikiem /6/. 7. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że panel sterujący /22/ zawiera blok pamięci oraz komunikatory dźwiękowe i optyczne. 8. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że sterownik /6/ połączony jest z komputerem /11/ sterującym pracą silnika /23/, rezystorem przepustnicy paliwa TPS pedału przyśpieszenia /12/ silnika /23/ lub przepływomierzem /13/ MAP/MAF (diesel), sondą /14/, a zasilany jest z akumulatora /15/.
6 PL 224 833 B1 Rysunki
PL 224 833 B1 7
8 PL 224 833 B1 Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)