Piezoelektryczny wtryskiwacz gazowy zwłaszcza do układów zasilania silników spalinowych z Politechniki Białostockiej chroniony przez Włoski Urząd Patentowy

Zastąpiliśmy układ elektromagnetyczny układem piezoelektrycznym, ponieważ jest on szybszy w działaniu, a z uwagi na zmiany polaryzacji, możemy sterować jednocześnie otwieraniem i zamykaniem opatentowanego wtryskiwacza – wyjaśnia główną ideę dr hab. inż. Dariusz Szpica, prof. PB. – To może przyczynić się do niższego zużycia paliwa, a co za tym idzie – zmniejszyć emisję szkodliwych gazów do atmosfery – dodaje dr inż. Andrzej Borawski.

Naukowcy z Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej właśnie otrzymali patent na rzecz Uczelni z Włoskiego Urzędu Patentowego chroniący „Piezoelektryczny wtryskiwacz gazowy zwłaszcza do układów zasilania silników”. Nad wynalazkiem pracowało trzech uczonych: dr hab. inż. Dariusz Szpica, prof. PB; dr inż. Grzegorz Mieczkowski i dr inż. Andrzej Borawski.

– To była kontynuacja moich wcześniejszych badań – zdradza dr inż. Grzegorz Mieczkowski z Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej. – Związane one były z konstrukcjami warstwowymi.

Naukowiec rozszerzył swoją pracę naukową o cechy funkcjonalne, czyli między innymi ugięcie przetworników, i z racji współpracy z innymi badaczami z Wydziału Mechanicznego, zaproponował wykorzystanie przetwornika piezoelektrycznego w układach wtryskujących paliwo.

– Stwierdziliśmy, że to może się sprawdzić, a przy okazji będzie kontrolował dwie funkcje – zamykanie i otwieranie wtryskiwacza – opowiada dr Mieczkowski. I podkreśla, że takich elementów nie można kupić, trzeba je wykonać we własnym zakresie.

– Oprócz elementu roboczego, jakim jest płytka z naklejonym materiałem piezoelektrycznym, potrzebny jest system sterowania i zasilania – podkreśla naukowiec.

Żeby powstał innowacyjny wtryskiwacz, trzeba dobrze znać charakterystykę urządzenia.

– To jest mechanika połączona z elektroniką – podkreśla dr Mieczkowski. – Istotne jest sterowanie, na pewno nie obejdzie się bez współpracy z fachowcami zajmującymi się taką tematyką.

We współczesnym świecie interdyscyplinarność to norma.

– Dziś w wielu urządzeniach używa się elementów mechatronicznych – przypomina dr Mieczkowski. – ich budowa wymaga wiedzy i elektronicznej, i mechanicznej – wymagana jest współpraca pomiędzy inżynierami z różnych dziedzin, wymiana informacji.

Bo obecnie projektowanie maszyn w dużej mierze opiera się na systemach wspomagających sam proces projektowania. Systemy pozwalają na przygotowanie wirtualnego prototypu, modelu, na którym można pracować, można go optymalizować.

– Inżynier musi umieć posłużyć się takim programem i wiedzieć, co chce się osiągnąć i jak zweryfikować założone wyniki badań – podkreśla dr Mieczkowski. – Dziś tak wygląda praca inżyniera w wielu przedsiębiorstwach i praca na uczelni, szczególnie w przypadku badań wykonywanych wspólnie z przemysłem.

Ale na początku musi być pomysł.

W klasycznych wtryskiwaczach mamy układ elektromagnetyczny. Wynalazek naukowców z Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej, wykorzystujący układ piezoelektryczny skraca czas otwierania wtryskiwacza, a przy tym pozwala na sterowanie zamykaniem wtryskiwacza.

– To był główny cel naszego zgłoszenia patentowego – wyjaśnia dr hab. inż. Dariusz Szpica, prof. PB.

W dotychczas znanych rozwiązaniach proces zamykania wtryskiwacza realizowano przy pomocy samoczynnego układu ze sprężyną dociskową.

– W naszym przypadku, poza sprężyną mamy układ piezoelektryczny, który wspomaga zamykanie – tłumaczy przewagę opatentowanego rozwiązania dr hab. inż. Szpica.

– Dzięki takim rozwiązaniom być może nasz innowacyjny wtryskiwacz przyczyni się do niższego zużycia paliwa przez silnik, ponieważ będzie pracował bardziej precyzyjnie – mówi dr inż.  Andrzej Borawski. – Dawkowanie paliwa będzie lepsze, bardziej powtarzalne, przez co zużycie paliwa może się zmniejszyć. Wpłynie to również na ochronę środowiska naturalnego ze względu na mniejszą emisję toksycznych gazów do atmosfery.

„Piezoelektryczny wtryskiwacz gazowy zwłaszcza do układów zasilania silników spalinowych” został na początku zgłoszony do Urzędu Patentowego RP, gdzie postępowanie jeszcze jest w toku. Prof. dr hab. inż. Michał Kuciej, kierownik Katedry Mechaniki i Informatyki Stosowanej Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej zasugerował zgłoszenie wynalazku również we Włoszech, co przyniosło skutek w postaci otrzymania ochrony patentowej w 2021 roku.

– Wykorzystując druk technologią przyrostową, czyli druk 3D, chcemy wydrukować korpus, postarać się o wykonanie elementów i zbudować układ piezoelektryczny oraz uruchomić sterowanie – planuje dr hab. inż. Szpica.

Wtedy naukowcy zamierzają przetestować wtryskiwacz na stanowiskach modelowych w laboratoriach Wydziału Mechanicznego Politechniki Białostockiej i odnieść do konstrukcji powszechnie stosowanych w motoryzacji.

– Chcielibyśmy potwierdzić szybkość działania i możliwości sterowania naszym wynalazkiem – planuje dr hab. inż. Szpica.

„Piezoelektryczny wtryskiwacz gazowy zwłaszcza do układów zasilania silników spalinowych” – opis wynalazku

Istota wynalazku polega na wykorzystaniu napędu piezoelektrycznego do sterowania zaworem wtryskiwacza gazu. Efekt piezoelektryczny wytworzony przez warstwy powoduje odkształcenie płytki stanowiącej ruchomy element zaworowy. Zmienna polaryzacja układu piezoelektrycznego wtryskiwacza pozwala na wykorzystanie go nie tylko w procesie otwierania, ale również zamykania, co nie miało miejsca w rozwiązaniach już znanych.

Istniejące rozwiązania wtryskiwaczy gazowych w swoim działaniu wykorzystują w przeważającej części obwody elektromagnetyczne, które wywołują ruch elementu roboczego w postaci tłoka, dysku, membrany czy klapy. Zaproponowane w ramach wynalazku rozwiązanie zmniejsza liczbę elementów składowych wtryskiwacza przy jednoczesnym skróceniu czasów reakcji układu napędowego. Krótsze czasy reakcji są wymagane do bardziej precyzyjnego dawkowania w stanach przejściowych działania silnika, jak też w układach wielopaliwowych, gdzie czas otwarcia wtryskiwacza jest krótszy niż w układach o pełnym zasilaniu gazowym.

Dr hab. inż. Dariusz Szpica, prof. PB – kierownik Katedry Budowy i Eksploatacji Maszyn

• PB w Katedrze Budowy i Eksploatacji Maszyn;
• specjalista w zakresie silników spalinowych, alternatywnych układów zasilania;
• autor i współautor niemal 200 publikacji naukowych, 3 patentów, 4 wzorów użytkowych oraz licznych opracowań dla przemysłu;
• naukowo aktywnie współpracuje z partnerami zagranicznymi m.in. z Mansoura University, Egipt; Kaunas University of Technology, Litwa.
• wspiera naukowo drużynę Cerber Motorsport działającą w ramach SKN Auto-Moto-Club.

Dr inż. Grzegorz Mieczkowski

• adiunkt w Katedrze Budowy i Eksploatacji Maszyn;
• specjalista w zakresie mechaniki pękania materiałów kompozytowych, mechaniki przetworników piezoelektrycznych;
• autor i współautor ponad 60 publikacji naukowych, patentu oraz wdrożenia przemysłowego;
• wykonawca i kierownik licznych prac badawczo-rozwojowych dla przemysłu;
• naukowo aktywnie współpracuje z partnerami zagranicznymi m.in. z Mansoura University, Egipt; Kaunas University of Technology, Litwa.

Dr inż. Andrzej Borawski

• adiunkt w Katedrze Budowy i Eksploatacji Maszyn Wydziału Mechanicznego;
• specjalista w zakresie budowy i eksploatacji maszyn i pojazdów;
• autor i współautor około 50 publikacji naukowych oraz licznych ekspertyz i opinii;
• naukowo aktywnie współpracuje z partnerami zagranicznymi m.in. Mansoura University, Egipt oraz Kaunas University of Technology, Litwa;
• opiekun naukowy drużyny Cerber Motorsport działającej w ramach SKN Auto-Moto-Club.