BR0318291B1 - Sistema de tratamento depois do escapamento de diesel para limpeza de poluentes regulados e não-regulados e método de tratamento do escapamento de um motor diesel - Google Patents

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMA DE TRATAMENTO DEPOIS DO ESCAPAMENTO DE DIESEL PARA A LIM- PEZA DE POLUENTES REGULADOS E NÃO-REGULADOS E MÉTODO DE TRATAMENTO DO ESCAPAMENTO DE UM MOTOR DIESEL".

Este pedido reivindica os benefícios do pedido provisório U.S. N° 60/398.473, depositado em 25 de julho de 2002 e do pedido provisório U.S. N° 60/454.046, depositado em 12 de março de 2003.

CAMPO DA INVENÇÃO A presente invenção refere-se, geralmente, a motores diesel.

Mais particularmente, a presente invenção refere-se a um sistema de pós- tratamento para a captura e a remoção e/ou a destruição de poluentes de escapamento de motor diesel, tais como, matéria em partículas, compostos orgânicos voláteis (VOCs), contagem de nanopartículas, NOx, CO e S02.

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

As emissões em partículas de motores diesel receberam aten- ção considerável de agências reguladoras governamentais por todo o mun- do. Uma pesquisa significativa sobre os seus efeitos na saúde mostrou que o impacto de toxicidade sobre a saúde humana é muito maior do que o origi- nalmente percebido. A maior parte da toxicidade de poluentes de escapa- mento de diesel é criada por compostos VOC e pelo fenômeno de formação e contagem de nanopartículas. Embora VOCs e a contagem de nanopartícu- las não sejam regulados ainda, serão tomadas medidas para a limitação de sua descarga para a atmosfera para o nível mais baixo obtenível, o qual será o assunto de futuras regulamentações governantes. O óxido de nitrogênio é o culpado da formação de nevoeiro e chuva ácida; o dióxido de enxofre é o maior contribuinte para chuva ácida. A tecnologia de motores avançou drasticamente nos últimos dez anos. A geração moderna de motores diesel é capaz de obter emissões de 0,01 g/bhp.h, comparada com 0,60 g/bhp.h em 1988. Embora os motores diesel modernos sejam significativamente mais limpos do que os motores diesel, a demanda por um escapamento mais limpo continuará até emissões quase nulas serem obtidas. Atualmente, os regulamentos da USEPA e da CARB estão almejando emissões de partículas abaixo de 0,1 g/bhp.h e e- missões de NOx abaixo de 0,2 g/bhp.h começando com veículos de cami- nhões pesados de ano de modelo 2007. Como está hoje, é muito difícil, se não impossível, obter tais emissões alvos apenas utilizando-se tecnologia de motores. Isso deixa a opção de pós-tratamento de escapamento como uma alternativa mais válida para conformidade aos regulamentos.

As tecnologias de pós-tratamento para a captura de matéria em partículas de diesel e diminuição de NOx receberam atenção considerável ao longo dos últimos 25 anos. A maioria destas tecnologias é concentrada na captura de material em partículas em meios de filtração, tais como, filtros de fluxo de parede cerâmica de cordierita, fibras cerâmicas enroladas em tubos perfurados, e meios de filtro de fibra metálica. Tais dispositivos são comu- mente conhecidos como armadilhas de partículas.

Embora armadilhas de partículas tenham provado serem meios efetivos de filtração com eficiências que podem atingir de 80 a 95%, é ne- cessário livrar o meio de filtro da fuligem acumulada, de modo a retorná-lo para as condições iniciais para um outro ciclo de filtração. Esta necessidade levou ao desenvolvimento do que é bem conhecido agora como o processo de "regeneração". Embora os princípios do processo de regeneração sejam simplesmente baseados na queima da fuligem acumulada, eles ainda não são confiáveis em aplicações práticas. Nesse sentido, o processo de regene- ração e as armadilhas de partículas têm limitações severas em aplicações no mundo real. Por exemplo, a regeneração deve ser iniciada quando o car- regamento de filtro atingir um valor limite além do qual uma perda de pres- são através do meio de filtro começa a aumentar rapidamente e interferiría com a operação de performance do motor. Do ponto de vista estatístico, os perfis de temperatura de escapamento durante uma operação de um cami- nhão a diesel não são suficientemente altos para se iniciar o processo de regeneração quando for necessário. Foram incorporados meios os quais facilitam o processo de regeneração, tal como, uma "regeneração induzida ou forçada", na qual uma fonte externa de calor é empregada para elevação da temperatura do meio de filtro acima da temperatura de ignição de fuligem para se iniciar a combustão. Alternativamente, catalisadores de metal pre- cioso ou de base foram propostos na forma de um revestimento no meio de filtro ou como um aditivo para o combustível diesel. Os catalisadores podem diminuir a temperatura de ignição de fuligem de 620°C para tão baixo quanto 320X, o que melhoraria a probabilidade de obtenção de regeneração duran- te uma operação do motor, ao se basear em perfis de temperatura de esca- pamento, especialmente em altas cargas de motor. Basear-se em catalisa- dores para a obtenção de regeneração deu origem a outros problemas rela- cionados ao envenenamento de catalisador por compostos de enxofre em combustível diesel. Isso levou à introdução de combustível diesel de enxofre ultrabaixo para se garantir uma operacionalidade durável de catalisadores.

Embora a probabilidade de uma regeneração bem sucedida em uma aplica- ção de vida real tenha melhorado ao longo dos anos, os problemas de rege- neração não estão completamente eliminados. Na análise final, um hardware complexo e dispendioso tendo lógicas elaboradas foi empregado para traba- lhar em um ambiente de escapamento inóspito, o que exacerbou outros pro- blemas, tais como confiabilidade e durabilidade, em operação. A limitação mais crítica associada ao processo de regeneração em armadilhas de partículas se refere à confiabilidade em operação, o que é um fator crucial, especialmente em aplicações móveis. Os veículos com mo- tor diesel não seguem um padrão único de ciclo de direção na estrada. Ao invés disso, alguns veículos acionados por diesel experimentam condições sem carga prolongadas, enquanto outros operam em zonas de tráfego con- gestionado. Todos estes fatores tornam os perfis de temperatura de esca- pamento muito baixos para a realização de regeneração em um sistema passivo. Isso é verdadeiro mesmo na presença de catalisadores. Como re- sultado, problemas indesejados são criados durante a operação. Embora tais problemas possam ser retificados tipicamente através de uma "regene- ração forçada", os componentes ativos associados, tais como injeção de combustível no escapamento, válvulas, microprocessadores, termopares e similares mostraram criar uma manutenção extensa e uma confiabilidade ruim no ambiente de escapamento. Os componentes no ou próximo de um sistema de escapamento devem ser qualificados para carregamento de cho- que alto de até 30 g, bem como, um carregamento de choque térmico. A confiabilidade de componentes ativos em um ambiente de escapamento de diesel provou ser ruim. A durabilidade é de longe outro grande desafio para sistemas de armadilha de partículas sendo requerido que atinjam uma durabilidade de 724204,8 km (450,000 milhas, bem como, intervalos sem manutenção de 241401,6 km (150,000 milhas), de acordo com a EPA. A maioria dos com- ponentes ativos e sistemas carece de capacidade de se adequar a tais exi- gências de durabilidade, devido a carregamentos de choque indesejados, tensões de choque térmico e outros fatores relacionados.

As tecnologias de controle de NOx são diversificadas. As tecno- logias de controle significativas incluem catalisadores de queima pobre, cata- lisadores com a assistência de plasma, adsorventes, redução catalítica sele- tiva e recirculações de gás de escapamento (EGR). Quase todas estas tec- nologias conhecidas são efetivas na redução de emissão de NOx de 25% a 90%. Entretanto, cada tecnologia tem certos problemas similares àqueles associados a armadilhas de partículas. De longe, a recirculação de gás de escapamento é a tecnologia mais promissora tendo um conjunto gerenciável de problemas. Em motores diesel, os problemas de EGR incluem: (1) con- taminação de gás de escapamento por fuligem, o que cria problemas no sis- tema de admissão de ar de um motor, (2) temperaturas de escapamento altas que interferem com a performance do motor, e (3) diferencial de pres- são insuficiente para direcionamento do fluxo de escapamento necessário para a admissão de ar do motor para manutenção da circulação apropriada.

Estes problemas dificultaram a aceitação da tecnologia de EGR em aplica- ções de motor diesel. Os desenvolvimentos levaram à evolução de novos conceitos de EGR para motores diesel, tais como, estratégias de alta pres- são e baixa pressão e combinações dos mesmos. Os sistemas de EGR co- nhecidos podem ser complexos e empregam um hardware extenso que também tem o potencial de durabilidade ruim, confiabilidade ruim e alta pe- nalidade de combustível. 0 documento WO 99/13961 refere-se a separação particulada contínua e sistema de limpeza de remoção. O documento norte-americano US 6,007, 593 refere-se a um dispositivo para aglomeração e precipitação de partículas em um fluxo de gás. O documento norte-americano US 4,950,313 descreve um dispositivo para remoção de pó fino e o documento norte-americano US 3,815,337 trata de um sistema de descarga.

Em resumo, os problemas de regeneração e adaptação de EGR ainda estão frustrando os pesquisadores, apesar dos melhoramentos. Em particular, ter fuligem aprisionada em um meio de filtro provou ser uma tarefa muito difícil e frustrante, sem uma resolução clara garantindo aceitação em aplicações a diesel móveis e estacionárias. Existe uma necessidade clara de avanço da técnica pertinente.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO A presente invenção se refere ao campo de armadilha de partí- culas e substitui as tecnologias conhecidas atuais por um esquema diferente com a finalidade de resolução dos problemas precedentes. A abordagem desta invenção é baseada na aglomeração de partículas de fuligem finas em tamanhos maiores que podem ser facilmente separados das correntes de escapamento. Dois métodos podem ser utilizados para a obtenção de sepa- ração de aglomeração de partículas. Estas são separação centrífuga e re- moção de fuligem aglomerada através de um jato de pulso reverso. As partí- culas separadas podem ser coletadas e acondicionadas em péletes sólidos e vendidas como uma mercadoria. Alternativamente, as partículas separa- das podem ser incineradas em uma base contínua em um ambiente contro- lado, o qual eliminará as subidas súbitas de temperatura e os pontos quen- tes, desse modo se obtendo alta confiabilidade e durabilidade. A aplicação dos ensinamentos da presente invenção proverá um sistema de EGR sim- ples e robusto que resolve a maioria dos problemas de EGR em aplicações a diesel. O sistema se presta ao controle de emissões não reguladas em altos níveis ainda a serem combinadas, tal como, uma redução de contagem de nanopartículas, eliminação total de contaminantes de ar tóxicos (VOCs), perda de pressão mais baixa no conversor de partículas, bem como, a extra- ção de NOx e compostos de enxofre do escapamento de diesel. A presente invenção é baseada na capitalização de vários fenô- menos físicos bem conhecidos e propriedades para a limpeza do escapa- mento de diesel de poluentes regulados e não-regulados através de uma abordagem de sistema total. As armadilhas de partículas de escapamento conhecidas são baseadas na premissa de provisão de uma função de filtra- ção. Um produto de núcleo do presente sistema é o conversor de partículas. A primeira abordagem da presente invenção, a qual é atraente para motores estacionários, é baseada na substituição do processo de filtração por um processo de aglomeração. Ter um aglomerador de partículas plenamente carregado com fuligem resultará em uma plena aglomeração de materiais em partículas entrando, isto é, todas as partículas entrando no aglomerador são coletadas e combinadas em um formato dimensionado maior para se- rem subseqüentemente removidas na extremidade de jusante. Uma vez que o aglomerador esteja carregado com partículas de fuligem, a eficiência de captura de partículas entrando é drasticamente aumentada e ainda mais alta para tamanhos de partículas mais finos. Isso leva à mais alta eficiência de captura de partículas de tamanho nano conhecida. As partículas sopradas no lado de jusante do aglomerador são dendritos quebrados e, portanto, seu tamanho é grande. Dependendo das condições de operação e de os dendri- tos estarem secos ou úmidos, os tamanhos de partículas de dendrito variam de 1 a 100 mícrons, enquanto as partículas entrando variam do tamanho nano a 1 mícron e têm em média 0,1 mícron. Ter tamanhos de partículas na faixa de 1 a 100 mícrons cria uma nova oportunidade de separação delas e, finalmente, de descarte delas através de incineração ou coleta simples. Em qualquer caso, o processo de regeneração, como nós o conhecemos hoje em dia, é completamente substituído por alternativas mais confiáveis. As partículas separadas, comprimidas para formarem péletes de fuligem, são uma abordagem mais efetiva e confiável, se comparado com as tecnologias de filtração conhecidas. O processo de incineração também é de natureza passiva, contínuo e assim é muito confiável, durável e resolve os problemas conhecidos associados ao processo de regeneração. A substituição do processo de regeneração por um processo de aglomeração e separação cria novas oportunidades em reduções de poluen- te. Por exemplo, diminuir as temperaturas de escapamento tanto quanto possível, o que é a direção oposta, se comparado com as estratégias de ar- madilha de partículas conhecidas, provê uma multidão de benefícios em re- duções de emissão não previamente obteníveis. A título de exemplo, mas não de limitação, os benefícios incluem: (1) uma diminuição da temperatura de escapamento reduz a velocidade de fluxo de escapamento e a viscosida- de resultando em uma redução de perda de pressão por um fator tão alto quanto 3,1; (2) a temperatura de escapamento mais baixo força a condensa- ção de frações pesadas de VOC em partículas de nano tamanho que podem ser capturadas em eficiências muito altas e eliminadas do tubo traseiro; (3) a diminuição da temperatura de escapamento força a condensação e a captu- ra de um número mais alto de partículas de tamanho nano no conversor de partículas, ao invés de ocorrer no tubo traseiro; (4) a introdução de um cata- lisador de platina ao invés de um catalisador de oxidação de diesel pode o- xidar SO2 em nanopartículas de sulfato, as quais podem ser coletadas jun- tamente com partículas de fuligem, eliminando as descargas de composto de enxofre do tubo traseiro; (5) tal catalisador de platina ativo também pode oxidar de 50 a 70% de NO para N02. Caso os gases de escapamento sejam arrefecidos para 93,3°C ou menos, 0 volume de N02 pode ser adsorvido com água, desse modo resultando em um meio significativo e simples de redução de emissões de NOx; (6) a performance do conversor de partículas é independente dos perfis de temperatura de escapamento, 0 que não é 0 caso com outras tecnologias conhecidas. Estes benefícios e os adicionais tornar-se-ão evidentes para aqueles versados na técnica, mediante uma re- visão dos detalhes desta invenção, como estabelecido abaixo.

Tendo a aglomeração de partículas e 0 conversor de separação como a pedra angular da presente invenção, outras adições e melhoramen- tos evolveram em um projeto de sistema almejando todos os poluentes co- nhecidos emitidos em escapamento de diesel. Em aplicações móveis, os subprodutos de escapamento incinerados são limpos de material em partícu- Ias e, portanto, podem ser redirecionados para a admissão de ar do motor como um escapamento limpo para recirculação de gás de escapamento (E- GR). A EGR provê a função de redução de NOx. Um fluxo de recirculação de gás de escapamento pode ser ainda modulado através de uma válvula des- viadora no tubo traseiro.

No caso em que o fluxo de escapamento é direcionado para uma câmara de deposição ao invés do incinerador, a câmara coleta fuligem durante uma operação do motor até estar cheia, o que ocorre tipicamente por um período de 3 a 6 meses. Quando a câmara está cheia, ela é descar- regada durante um procedimento de manutenção de rotina, como uma mu- dança de óleo. Na garagem de manutenção, as partículas são evacuadas para um tambor de fuligem, e processadas em péletes comprimidos. Isso pode ser realizado tamponando-se o tubo traseiro de escapamento e dei- xando um fluxo de escapamento sem carga para se varrer a fuligem acumu- lada (fluxo de limpeza) para um tambor de fuligem. O processo de esvazia- mento de uma câmara no tambor de fuligem leva cerca de 5 minutos. Um tambor de fuligem único pode servir a vários motores móveis variando de 10 a várias centenas. Em aplicações estacionárias, aplicações marinhas ou a- plicações de motor múltiplo, e onde o espaço garante uma instalação de um tambor de fuligem, o fluxo de limpeza é processado diretamente para o tam- bor de fuligem, sem a necessidade de uma câmara de fuligem. Alternativa- mente, a câmara de deposição pode ser substituída por um saco que colete a fuligem. O sistema desta invenção pode prover reduções de PM, NOx, toxicidade (VOCs), contagem de nanopartículas, SO2, HC e CO em altas eficiências. Ainda, a natureza simples e passiva do conversor de partículas, bem como, a maioria do equilíbrio do sistema é uma abordagem mais pro- missora para se resolverem questões de durabilidade, confiabilidade, bem como, outras questões de segurança associadas a tecnologias de pós- tratamento conhecidas.

Uma outra abordagem desta invenção é atraente para aplica- ções de motor diesel pequeno, tais como em caminhonetes e SUVs. Em quase todas estas aplicações, o tamanho do hardware de pós-tratamento é crítico, especialmente em um retroajuste de aplicação móvel. Ainda, os mo- tores que operam em modos transientes não permitem que o separador cen- trífugo funcione apropriadamente em condições ótimas devido à turbulência adicionada, a efeitos de rodamoinho, bem como, mudanças na aceleração centrífuga no separador centrífugo. Esta modalidade consiste em uma peça única de hardware sem separador centrífugo. O processo de aglomeração é substituído por um processo de quase aglomeração - filtração. O hardware incorpora uma malha de fio compósito que emprega um meio de malha de fio aumentado com telas de filtração. O meio de quase aglomeração - filtra- ção é um filtro profundo que trabalha em princípios de aglomeração por fil- tração em um estágio único ou múltiplo. O meio não é pretendido para fun- cionar como um aglomerador pleno. Assim, conforme a eficiência de coleta de partículas começa a erodir (medida por um aumento na perda de pressão através do meio), têm de ser empregados meios para a purga do meio. Isso leva à adoção de um jato de pulso reverso para o desalojamento do volume de fuligem armazenado no meio. A fuligem soprada aglomerada no lado de montante se deposita no fundo do alojamento. Para evitar que a fuligem a- glomerada seja agitada e o recarregamento do meio de malha de fio de no- vo, uma folha perfurada pode ser empregada para a separação da fuligem coletada, a qual cai abaixo da folha perfurada devido à gravidade e à vibra- ção, para se tornar separada da corrente de escapamento principal. O espa- çamento entre a folha perfurada e o malha de fio compósito é dedicado intei- ramente ao fluxo da corrente de escapamento principal. A modalidade de meio pode quase aglomeração - filtração pode ser, mas não está limitada a de formato retangular, tendo uma altura ade- quada para instalação abaixo do piso em fontes móveis, tais como cami- nhões e ônibus. Altemativamente, esta modalidade pode tomar a forma de um dispositivo cilíndrico o qual também pode ser adequado para instalação vertical em certos caminhões e ônibus. Em cada modalidade, o número de câmaras alojando o meio de malha de fio podería ser um, dois ou mais. Au- mentar o número de câmaras alojando a malha de fio pode reduzir a perda de pressão, aumentar a capacidade de retenção de fuligem e aumentar a eficiência de captura de fuligem.

Outras áreas de aplicabilidade da presente invenção tornar-se- ão evidentes a partir da descrição detalhada provida adiante. Deve ser com- preendido que a descrição detalhada e os exemplos específicos, embora indicando as modalidades preferidas da invenção, são pretendidos para fins de ilustração apenas e não são pretendidos para limitação do escopo da in- venção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS A presente invenção tornar-se-á mais plenamente compreendida a partir da descrição detalhada e dos desenhos em anexo, onde: A FIGURA 1 é uma vista esquemática de um sistema de conver- sor de partículas completamente passivo para aplicações estacionárias, que ilustra um fluxo de escapamento de acordo com os ensinamentos da presen- te invenção. A FIGURA 2 é uma vista esquemática do sistema de conversor de partículas que ilustra o fluxo de escapamento com ênfase no controle da recirculação de gás de escapamento de acordo com os ensinamentos da presente invenção. A FIGURA 3 é uma vista em seção transversal longitudinal do presente conversor de partículas tendo um tubo de aglomeração único mos- trando admissão, aglomeração e separação, e saída. A FIGURA 3A é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha A-A da FIGURA 3. A FIGURA 3B é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha B-B da FIGURA 3. A FIGURA 3C é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha C-C da FIGURA 3. A FIGURA 4 é uma vista em seção transversal longitudinal do presente conversor de partículas tendo um separador de dois estágios e um incinerador integrado no corpo de cilindro. A FIGURA 4A é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha A-A da FIGURA 4. A FIGURA 4B é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha B-B da FIGURA 4. A FIGURA 4C é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha C-C da FIGURA 4.

As FIGURA 5A e 5B mostram vistas em seção transversal deta- lhadas dos elementos de tela de malha de incinerador integrados e do pro- cesso de incineração em andamento. A FIGURA 6 é uma vista em seção transversal longitudinal de um conversor de partículas que tem múltiplos tubos de aglomeração. A FIGURA 6A é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha A-A da FIGURA 6. A FIGURA 6B é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha B-B da FIGURA 6. A FIGURA 6C é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha C-C da FIGURA 6. A FIGURA 7 é uma vista em seção transversal longitudinal de um conversor de partículas que tem múltiplos tubos de aglomeração e um separador de partículas de dois estágios. A FIGURA 7A é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha A-A da FIGURA 7. A FIGURA 7B é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha B-B da FIGURA 7. A FIGURA 7C é uma vista em seção transversal tomada ao lon- go da linha C-C da FIGURA 7. A FIGURA 8 é uma vista lateral de um trado no separador de partículas tendo múltiplas aberturas de by-pass para atenuação de ruído. A FIGURA 9 é uma vista em seção transversal que ilustra o pro- jeto de janela e o princípio de ejeção de partícula fugitiva e separação. A FIGURA 10 é uma vista em seção transversal de um aglome- rador de malha de fio compósito. A FIGURA 11 ilustra os resultados analíticos de migração de partículas de 2 mícrons como uma função do curso de fluxo no separador centrífugo e a localização de aberturas de janela, o espaçamento entre duas cabeças de seta consecutivas correspondendo à migração resultante de um giro rotativo ciclônico de queda (360°). O gráfico foi gerado a partir de uma análise de mecânica do fluido tridimensional e destaca a migração de partí- culas por tamanho e o impacto do efeito de rodamoinho. A FIGURA 12 ilustra os resultados analíticos de migração de partículas de 5 mícrons no separador centrífugo e a localização de aberturas de janela. O espaçamento entre duas cabeças de seta consecutivas corres- ponde à migração resultante de um giro rotativo ciclônico de queda (360°). A FIGURA 13 é uma vista plana da câmara de coleta de fuligem. A FIGURA 14 é uma vista em seção transversal da câmara de coleta de fuligem. A FIGURA 15 é uma vista em seção transversal da câmara de coleta de fuligem que tem um incinerador integrado. A FIGURA 16 é uma vista plana da câmara de coleta de fuligem tendo um incinerador integrado. A FIGURA 17 é uma vista em seção transversal longitudinal de um tambor de processamento de fuligem com um jato de pulso reverso. A FIGURA 18 é uma vista em seção transversal modificada de um tambor de processamento de fuligem com agitador mecânico. A FIGURA 19 é uma vista esquemática de um conversor de par- tículas e de um sistema de EGR para aplicações móveis. A FIGURA 20 é uma vista esquemática de um conversor de par- tículas de quase aglomeração - filtração aplainado e EGR para aplicação móvel, que ilustra o fluxo de escapamento de acordo com o ensinamento da presente invenção. A FIGURA 21 é uma vista esquemática de um conversor de par- tículas de quase aglomeração - filtração aplainado para aplicações móveis, que ilustra o fluxo de escapamento com ênfase no esquema diferente de jato de pulso reverso e o uso de um saco de coleta de fuligem. A FIGURA 22 é uma vista em seção transversal de um conver- sor de partículas de quase aglomeração - filtração cilíndrico para aplicações móveis.

As FIGURA 23A e 23B mostram o mecanismo de porta deslizan- te na posição aberta e na fechada, respectivamente.

As FIGURA 24A e 24B são vistas em seção transversal de um meio de malha de fio compósito de aglomeração - filtração e de um meio de filtração quase fibroso e de tela. A FIGURA 25 mostra um arranjo de incinerador passivo em con- junto com conversores de partículas das FIGURA 20 e 22. A FIGURA 26 é um diagrama de lógica de controle para o con- trole do jato de pulso reverso em um conversor de partículas de quase a- glomeração - filtração. A FIGURA 27 mostra as características típicas de eficiência de coleta e contrapressão de um quase meio de malha de fio com e sem telas de filtração. A FIGURA 28 é um diagrama lógico que ilustra os princípios empregados para a captura, o descarte e a destruição de VOCs, S02 e NOx.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES PREFERIDAS A descrição a seguir da(s) modalidade(s) preferida(s) é mera- mente de natureza de exemplo e não é, de forma alguma, pretendida para limitação da invenção, de sua aplicação ou usos. A. Breve Descrição do Sistema Com referência, inicialmente, à FIGURA 1 dos desenhos, onde números de referência designam partes idênticas ou correspondentes por todas as várias vistas, um sistema de pós-tratamento para a redução de po- luentes do escapamento do motor é ilustrado. O sistema mostrado na FI- GURA 1 pode ser utilizado para o pós-tratamento de gases de escapamento a partir de uma variedade de motores de combustão interna operando em condições ruins e tendo quantidades apreciáveis de material em partículas, tais como motores diesel, motores de gás comprimido e natural líquido. O sistema da presente invenção pode ser projetado para coletivamente destru- ir/separar/remover todos os poluentes dos gases de escapamento. Isto in- clui: material em partículas e partículas de tamanho nano, compostos orgâ- nicos voláteis, oxido de nitrogênio, hidrocarboneto, monóxido de carbono bem como, dióxido de enxofre. Através de um processamento combinado, os gases de escapamento relacionados na atmosfera podem ser destituídos de todos os poluentes declarados em eficiências muito altas, que podem tornar tais motores de alta poluição ambientalmente muito limpos.

Com referência continuada à FIGURA 1 e com referência adicio- nal às FIGURA 2 a 7, são ilustradas várias modalidades preferidas do siste- ma de conversor da presente invenção para aplicações de motor diesel es- tacionárias. Um catalisador de oxidação 10 é conectado a um coletor de es- capamento de motor. O catalisador 10 pode ser um catalisador de oxidação de diesel ou um catalisador de metal precioso ativo (como em aplicações de motor a gasolina). Seguindo-se ao catalisador 10 está o sistema de escapa- mento 50 projetado para ter um arrefecimento máximo possível de gases de escapamento antes de entrarem no conversor de partículas 100. Os modos de arrefecimento possíveis podem ser geralmente divididos em três segmen- tos representando diferentes modos de transferência de calor: um segmento de radiação 60, seguido por um segmento de convecção de ar 70, seguido por um segmento de convecção de líquido 80. O conversor de partículas para aplicações estacionárias é mos- trado em maiores detalhes nas FIGURA 3, 4 e 6. O conversor de partículas consiste primariamente em uma seção de admissão 110, um aglomerador 120, um separador centrífugo 130 e uma seção de saída 140. A seção de saída 140 pode empregar um incinerador 150, como mostrado nas FIGURA 4 e 5A e 5B. O canal de fluxo de limpeza no final do conversor tem uma tu- bulação de ligação com a câmara de coleta de fuligem 170. O escapamento limpo deixando a câmara de coleta de fuligem 170 forma uma recirculação de gás de escapamento (EGR) 200 para o purificador de ar do motor. O sis- tema de EGR pode empregar uma bomba intensificadora axial 241 para me- dição apropriada do fluxo de EGR. A fuligem coletada na câmara de coleta de fuligem 170 é enviada por tudo para um tambor de processamento de fuligem 200 para reciclagem da fuligem na forma de péletes. B. Catalisador de Oxidação O catalisador de oxidação 10 da presente invenção é seleciona- do para ter redução suficiente da fração leve de compostos de VOC, mas para permitir que a fração pesada de VOCs passe através dele, condense no tubo de escapamento e, finalmente, seja coletada no conversor de partí- culas. A fração condensada dos VOCs funciona como um material de liga- ção que produz partículas aglomeradas tendo tamanhos grandes e evita uma parada devido à turbulência ou a um fenômeno de rodamoinho encon- trado no separador ciclônico. Portanto, um catalisador de oxidação de diesel de tamanho menor é adequado para a finalidade da presente invenção. Um catalisador de oxidação de diesel também é efetivo na oxidação de hidrocar- boneto, monóxido de carbono e tem efeito menor sobre a oxidação de dióxi- do de enxofre (S02). Por outro lado, um catalisador de metal precioso ativo é altamente efetivo na oxidação de hidrocarboneto, monóxido de carbono, e a fração leve de VOCs, bem como, a oxidação de S02 em compostos de sulfa- to e NO para N02 a altas eficiências. A oxidação de S02 em sulfato é co- nhecida por toda a indústria como sendo uma atividade catalítica muito inde- sejável na aplicação de escapamento de diesel, uma vez que resulta em uma emissão de partículas aumentada. Por outro lado, se a temperatura de gás de escapamento após o catalisador for arrefecida abaixo das temperatu- ras de condensação de sulfato, as partículas de sulfato de tamanho nano são formadas, as quais podem ser coletadas juntamente com partículas de fuligem no conversor. A mistura de fuligem e sulfato forma partículas amar- ronzadas úmidas. Quando um arrefecimento suficiente puder ser obtido, esta metodologia pode livrar os gases de escapamento de poluição com S02 a altas eficiências. Também deve ser notado que o NO pode ser oxidado em N02 a eficiências na faixa de aproximadamente 50 a 70%. Uma vez que o N02 é reativo, ele pode ser absorvido juntamente com compostos de sulfato através de raspagem do escapamento com água após o conversor. C. Sistema de Arrefecimento de Escapamento Divisar meios para arrefecimento de gases de escapamento va- ria de acordo com a aplicação do motor e com a disponibilidade de meio de arrefecimento de líquido, tal como água. A abordagem desta invenção é ba- seada na capitalização quanto às propriedades de modos de transferência de calor. Conforme os gases de escapamento deixam o catalisador de oxi- dação 10 a altas temperaturas, a seção de escapamento de radiação 60 é utilizada. A seção de radiação 60 é caracterizada por ter grande área super- ficial ou um tubo maior, e um acabamento superficial que tem as caracterís- ticas de radiação mais alta, tal como preto mate. Isso pode ser seguido por uma seção de trocador de calor de ar/escapamento 70. Esta seção 70 se baseia na velocidade relativa de ar externo passando através do tubo de escapamento, devido ao movimento do veículo. O tubo de escapamento po- de ser corrugado na direção axial para expansão das áreas superficiais. Múl- tiplos tubos também podem ser usados. Todos os tubos precisam ser expos- tos ao fator de vento. A última seção é o trocador de calor de líquido/escapamento 80.

Esta seção 80 se baseia no uso de líquidos, tais como refrigerantes de mo- tor, comumente usados em veículos automotivos, ou água, para a provisão do arrefecimento necessário. Deve ser notado que as temperaturas de es- capamento da maioria dos motores diesel podería atingir aproximadamente de 482,2 a 537,8°C (900°-1000F) a plena carga. A temperatura de escapa- mento alvo na entrada do conversor é de aproximadamente 121,1 a 148,9°C (250°F a 300°F). Quando um arrefecimento abundante está disponível, tal como água, e NO2 precisa ser depurado, as temperaturas de escapamento precisam ser baixadas ainda mais, para a faixa de aproximadamente 65,6 a 93,3°C (150°F a 200°F) após 0 conversor. A seleção dos três mecanismos de arrefecimento diferentes varia de uma para a outra, até grande grau, de acordo com a aplicação do motor. Geralmente, a seção de radiação 60, de longe, provê 0 efeito mais alto de arrefecimento e é a menos dispendiosa. O segundo ou 0 terceiro mecanismo de arrefecimento pode ser usado em con- junto ou individualmente, dependendo da aplicação. D. Conversor de Partículas, Aglomeração Plena.

As FIGURA 3, 4, 6 e 7 ainda ilustram uma modalidade preferida do conversor de partículas 100. O segmento de admissão 101 do conversor 100 diverge o fluxo de entrada de um a tubulação redonda ou retangular no espaçamento entre o alojamento 113 e o aglomerador 102 ao se expandir gradualmente o canal de fluxo para o espaço alimentando o aglomerador para minimização de perdas de pressão. A seção de aglomerador 102 no conversor 100 pode ser de uma carcaça única, como mostrado nas FIGURA 3 e 4, ou de um projeto de tubo múltiplo, como mostrado nas FIGURA 6 e 7. Em ambas as modalidades, uma grande área superficial é necessária para melhoria da eficiência de a- glomeração. No projeto de tubo múltiplo das FIGURA 6 e 7, todo o fluxo é dirigido para o separador centrífugo. No aglomerador de carcaça única das FIGURA 3 e 4, o fluxo é alimentado e processado em uma base contínua para o separador centrífugo. A quantidade de fluxo processada em cada ca- nal, portanto, é uma fração do fluxo total.

Dependendo do percurso de curso do fluxo de escapamento do aglomerador para o tubo interno 104 e do comprimento do aglomerador, a quantidade do fluxo no canal pode ser selecionada. Processar uma fração do fluxo total por canal é desejável, uma vez que efeitos de turbulência e rodamoinho podem ser reduzidos. Ainda, o processo de separação de partí- culas através de uma ação centrífuga é limitado para reter as partículas se- paradas no diâmetro interno do aglomerador, enquanto o fluxo de escapa- mento limpo migra para dentro em direção ao tubo de núcleo interno 107. O aglomerador é construído a partir de um meio de malha de fio compósito que tem tamanhos de fio variáveis tendo densidades de acondi- cionamento como mostrado particularmente na FIGURA 24A. O lado de montante do aglomerador 102 é feito de um fio grosso que tem uma densi- dade de acondicionamento baixa e progride para um fio mais fino tendo den- sidades de acondicionamento mais altas no lado de jusante, como mostrado na FIGURA 10. Tal critério de seleção permite a captura de partículas gran- des nas camadas externas, enquanto as partículas de tamanho menor são capturadas no fio acondicionado mais fino. Esta estratégia permite a máxima eficiência de captura de partículas e uma distribuição de carregamento de fuligem uniforme através do meio, enquanto se mantém a perda de pressão tão baixa quanto possível. Ainda, ter poros abertos no lado de montante do aglomerador permite que as partículas sejam capturadas dentro do aglome- rador e evita o acúmulo de camadas de fuligem (bolo) à frente do aglomera- dor, o que podería resultar em aumento da perda de pressão. O processo de aglomeração de material em partículas é ilustrado na FIGURA 10. A espessura do aglomerador varia de aproximadamente 10 mm para aproximadamente 30 mm e tem em média aproximadamente de 10 mm a 20 mm na maioria das aplicações. Esta espessura, juntamente com o a- cúmulo de dendritos de fuligem no espaço vazio entre os fios, combinada com uma velocidade de fluxo baixa, pode resultar nas mais altas eficiências de captura de partículas de submícron e tamanho nano do escapamento de diesel tendo uma ordem de redução que varia de 104 a 105 de contagem de partículas. Isto reduz drasticamente um componente chave de poluente tóxi- co de escapamento. O aglomerador da presente invenção contrasta drasticamente com outras tecnologias conhecidas de filtro de fuligem, tal como, um monóli- to de fluxo de parede cerâmica, onde tais dispositivos têm uma espessura de parede que varia em média de 0,1 mm a 0,3 mm, tornando-os menos efici- entes na captura de partículas de submícron e tamanho nano. A eficiência de captura de nanopartículas é adicionalmente melhorada através do arrefe- cimento dos gases de escapamento. É sabido que quantidades substanciais de nanopartículas são formadas durante o processo de arrefecimento de gases de escapamento, e a formação máxima é atingida quando os gases de escapamento são arrefecidos para a temperatura ambiente. O arrefeci- mento dos gases de escapamento da faixa de 482,2 a 537,8°C (900° a 1000F) para aproximadamente 121,1 a 148,9°C resultará em forçar a con- densação de grandes números de nanopartículas à frente do conversor. A- credita-se que a fração leve de compostos VOC responsável pela formação adicional da contagem de nanopartículas remanescente é destruída princi- palmente através do catalisador de oxidação. Os efeitos combinados de ca- talisador de oxidação, de arrefecimento de escapamento e do aglomerador desta invenção provêem a mais alta redução de contagem de partículas de tamanho nano pela indústria, antes do escapamento deixar o tubo traseiro. E. Separador Centrífugo Os separadores centrífugos das modalidades preferidas da pre- sente invenção são mostrados nas FIGURAS 3, 4 e 7. O separador centrífu- go da FIGURA 3 é construído a partir de um trado helicoidal 105 montado no núcleo concêntrico (tubo) 111.0 escapamento do aglomerador é alimentado em uma base contínua e uniforme por todo o comprimento do separador centrífugo. O tubo de núcleo concêntrico é equipado com janelas 109 espa- çadas igualmente ao longo do percurso de fluxo. As janelas são espaçadas separadas 120° ao longo da direção de rotação de trado. Para se iniciar um padrão de fluxo rotativo, nenhuma janela é empregada na entrada para o trado. Uma placa defletora de coesão 103 é introduzida, a qual gradualmen- te acumula o fluxo em movimento espiral. Conforme o fluxo no canal se a- cumula, a placa de coesão começa no diâmetro externo e se move em espi- ral em direção ao núcleo interno. Cerca de uma volta e meia de rotação de trado é necessário para o estabelecimento do canal de fluxo de rotação ple- no. Nenhuma janela é empregada nesta seção de acúmulo do canal de fluxo de rotação. A primeira janela é empregada 120° depois do final da placa de coesão para permitir a separação de partículas na camada de escapamento adjacente ao tubo de núcleo. Após isso, o projeto de janela captura camadas limpas de fluxo de escapamento a uma taxa correspondente à taxa de fluxo entrando do aglomerador. Isso permite que a velocidade de fluxo nos canais de fluxo permaneça essencialmente constante. A seleção da seção de parti- da do separador centrífugo e a localização da primeira janela estabelecem o número de ciclos de rotação dos gases de escapamento, antes de entrarem nas janelas. Geralmente, cerca de dois ciclos de rotação são adequados para a separação de partículas aglomeradas tendo um tamanho aproximado de mais de dois (2) mícrons. Ciclos de rotação mais altos resultam em um escapamento mais limpo.

As FIGURAS 11 e 12 ilustram uma separação de partículas típi- ca (migração) através do separador centrífugo como uma função de tama- nho de partículas versus rotação. A migração de partículas para uma volta ciclônica completa (rotação de 360°) é representada pelo percurso entre du- as cabeças de seta sucessivas. É evidente que as partículas de tamanho maior migram na direção radial mais rápido do que as partículas menores.

Dois fenômenos, contudo, criam efeitos adversos sobre a migração radial de partículas no separador centrífugo: turbulência e efeito de rodamoinho. Am- bos foram investigados através de uma análise de mecânica do fluido tridi- mensional empregando modelagem de aerossol de partículas tendo tama- nhos diferentes. O efeito de rodamoinho é dominante para partículas meno- res e pode resultar em migração de partículas na direção oposta da direção centrífuga, desse modo definindo a separação almejada. Entretanto, o ro- damoinho é limitado a zonas localizadas próximas daquelas adjacentes aos dois lados do trado, como mostrado nas FIGURAS 11 e 12. A abertura de janela, portanto, é selecionada para ficar livre das zonas de rodamoinho, para se evitar a reentrada de escapamento contaminado dentro das janelas.

Foi observado experimentalmente durante testes que partículas de tamanho menor não foram aglomeradas plenamente em aproximadamen- te 1,0 ou mais mícrons, ou que aquelas que poderíam ter se rompido em partículas menores devido à turbulência ou a um efeito de rodamoinho, são coletadas na superfície externa do tubo de núcleo. Esta observação é con- traditória ao efeito de ação centrífuga. É teorizado como hipótese que tais partículas pequenas são levadas para o tubo de núcleo devido ao efeito de rodamoinho e, então, coletadas através do modo de difusão de coleta de partículas. Tais partículas são consideradas fugitivas, aglomeram-se na su- perfície do tubo de núcleo e, então, começam a migrar na direção de fluxo uma vez que seu tamanho atinja um certo limite para garantir um efeito de arrasto suficiente na direção de fluxo. Estas partículas, embora elas consti- tuam uma pequena fração das partículas totais, podem ser reintroduzidas quase que inteiramente no fluxo de janelas, a menos que certas medidas sejam empregadas.

Um ejetor de partículas simples 117 ou separador é instalado à frente da janela 107, como mostrado na FIGURA 9. Pela liberação das partí- culas aglomeradas à frente da abertura de janela, uma ação centrífuga fará com que tais partículas migrem radialmente uma distância radial suficiente para se evitar a entrada no espaço da janela projetado para um fluxo limpo.

Devido à inércia de partículas, estas partículas estabelecerão um percurso de fluxo separado da corrente de fluxo que entra na janela. Este fenômeno é referido como não isocinético na ciência de aerossol.

As correntes de escapamento limpo estão entrando nas abertu- ras de janela em uma base progressiva. O escapamento limpo coletado no tubo de núcleo é liberado para a atmosfera. Todas as partículas aglomera- das permanecem separadas e são acumuladas em uma base contínua no ou próximo do diâmetro externo do separador centrífugo. Na extremidade de jusante do separador centrífugo, uma porção dos gases de escapamento porta todas as partículas separadas e é dirigida para a saída ou para um incinerador elétrico. Esta porção de gases de escapamento é referida como um fluxo de limpeza. O mecanismo de saída é mostrado em vistas em corte das FIGURAS 3C, 6C e 7C. Uma placa em espiral de coesão 112 é usada para ajudar na saída do fluxo de limpeza através da saída 116.

Quando um incinerador elétrico 117 é empregado como um componente integral do conversor de partículas, como mostrado na FIGURA 4, dois conjuntos de tela de formato cônico afunilado são conectados em suas extremidades ao núcleo interno 111 e à carcaça externa 115, enquanto as duas extremidades de combinação são presas em conjunto. Este arranjo permite uma área superficial alta necessária para se manter a velocidade de fluxo de escapamento baixa através do conjunto de tela compósito. A área superficial pode ser dobrada ao se dobrar o número de conjuntos de tela cônicos (não mostrados). F. Incinerador, Modalidade Preferida A. O conjunto de tela compósito é mostrado nas FIGURAS 24A e 24B. As telas têm funções diferentes. A primeira tela 120 é selecionada para ter fios de malha de tamanho grande e aberturas largas. O lado de jusante da tela 120 é revestido com um material de isolamento elétrico, tal como, uma substância cerâmica. Esta tela 120 é conectada a um suprimento de potência de 12 ou 24 Volts. A segunda tela 121 é idêntica à primeira tela 120, exceto pelo fato de um isolamento elétrico ser aplicado na face combi- nando com a primeira tela 120. A terceira tela 122 é uma tela de barreira e é selecionada para ter aberturas menores do que 50 mícrons. A quarta tela 123 é uma tela de fio grande e é selecionada para prover suporte estrutural das três primeiras telas 120, 121, 123. O revestimento cerâmico nos lados de combinação das primeira e segunda telas 120 e 121 provê uma proteção dupla contra um curto-circuito dos metais de tela.

Conforme o fluxo de limpeza penetra no conjunto de tela na or- dem seqüencial desta invenção, a fuligem aglomerada é coletada na super- fície externa de tela 122, a qual funciona como uma barreira. As partículas de fuligem continuam a acumular camadas de fuligem na direção de montan- te até atingirem a primeira tela 120. As partículas de fuligem coletadas nas primeira e segunda telas 120 e 121 entrarão em contato com o metal não revestido das duas telas 120 e 121. Devido à alta condutividade elétrica de fuligem, um circuito elétrico é estabelecido e uma corrente elétrica flui atra- vés da camada de fuligem. A fuligem é aquecida até uma alta temperatura em de 3 a 6 segundos, e com a presença de oxigênio no fluxo de limpeza, a fuligem é incinerada muito rapidamente.

Para a melhoria do processo de incineração, o metal não reves- tido das segunda e terceira telas 121 e 122 pode ser revestido com platina. O revestimento com metal precioso drasticamente melhorará o processo de incineração pela diminuição da temperatura de ignição de fuligem. Ainda, a presença do revestimento de platina mantém o processo de incineração em alta eficiência, apesar do baixo teor de oxigênio nos gases de escapamento.

Os subprodutos do processo de incineração são CO, CO2 e vapor, todos os quais sendo gases não prejudiciais e que podem passar através da terceira tela 122. A cinza acumulada poderia potencialmente interferir com a fun- ção do incinerador, já que ela gradualmente se acumula no espaçamento entre as primeira e segunda telas 120 e 121. A maioria da cinza é sacudida devido à vibração e cai em uma cavidade no fundo do incinerador. A cinza remanescente que poderia entupir 0 conjunto de tela pode ser removida a- través de um procedimento de manutenção de rotina usando-se uma pulsa- ção de contrapressão. O processo de incineração ocorre apenas em áreas localizadas em que o acúmulo de fuligem atinge um ponto quando um circuito elétrico é formado. Isso torna o processo de incineração intermitente e um pouco con- tínuo. Devido à velocidade de fluxo muito pequena através das telas compó- sitas, a uma alta dispersão de carregamento de fuligem por uma grande área da tela, a pequenas quantidades de fuligem incinerada, à inércia térmica das primeira e segunda telas 120 e 121, o processo de incineração é considera- do como ocorrendo em um ambiente controlado. Nenhum aumento apreciá- vel na temperatura de escapamento seria observado entre o lado de mon- tante e o de jusante do incinerador. Ainda, o material selecionado para as telas 121 e 122 é aço inoxidável tendo uma alta resistência à corrosão à alta temperatura e alta resistência a produto químico contra ataques de carbono e enxofre. As ligas especiais selecionadas tendo alto níquel, cromo e alumí- nio, tal como um grau comercial conhecido como liga alfa, são muito ade- quadas para o material de tela. O fluxo de limpeza que deixa o conversor empregando um inci- nerador é limpo de material em partículas e pode ser utilizado como uma recirculação de gás de escapamento (EGR) e, portanto, é conectado à ad- missão de ar do motor após o elemento de filtro de purificador de ar. Uma pressão de vácuo após o purificador de ar é um acionamento suficiente para estabelecer o fluxo de limpeza (EGR). Tal arranjo de sistema é completa- mente passivo. Entretanto, um fluxo de EGR é pequeno e não controlável, e a redução seguinte de NOx é pequena, na faixa de 15 a 20%. Ainda, quando o motor está em condições sem carga, nenhum fluxo de EGR é estabelecido devido à pressão negativa muito baixa após o elemento de filtro de ar. G. Câmara de Coleta de Fuligem Uma outra modalidade preferida como um substituto para o inci- nerador é empregar uma câmara de coleta de fuligem 170 como mostrado nas FIGURAS 13 e 14. A câmara de coleta de fuligem 170 é uma câmara simples que tem uma saída no fundo 171 para uma admissão de fluxo de limpeza e uma segunda saída 173 no lado superior para saída de escapa- mento limpo. O escapamento limpo que deixa a câmara torna-se uma recir- culação de gás de escapamento como descrito acima. A câmara de fuligem tem dois compartimentos separados pela tela 174. A tela 174 funciona como uma barreira de fuligem. A seleção da tela 174 para ter uma área superficial grande e tendo um vazio de espaço menor do que aproximadamente 50 mícrons, além do fluxo de limpeza pe- queno, resulta em uma velocidade de fluxo muito pequena através da tela.

Isso faz a tela 174 funcionar como uma barreira para fuligem aglomerada. A fuligem se acumula na superfície da tela 174 na forma de camadas (bolo).

Conforme mais camadas de fuligem continuam a se acumular no lado de jusante da tela, estas camadas finalmente caem para o fundo da câmara, devido a uma vibração de veículo e a carregamentos de choque.

Empregar um sistema tendo uma mola e uma vibração de esfera de aço como sua própria freqüência natural pode melhorar o processo de liberação de camadas de fuligem. O sistema de vibração é excitado através da vibração da estrada e do motor. A câmara de fuligem pode ser projetada para a coleta de fuligem gerada por de três a seis meses de operação do caminhão, dependendo do nível de emissão de fuligem do motor. A fuligem é coletada na metade de fundo da câmara até a tela. A câmara pode empre- gar um incinerador. O incinerador de câmara de fuligem consiste em duas fileiras de tubos de aço inoxidável alternados revestidos com platina, e está localizada no fundo. A fileira inferior é aterrada e a fileira mais alta é conec- tada a um suprimento de potência de 12 ou 24 Volts. A fuligem formando uma ponte no espaço entre o tubo aterrado e o tubo com potência é incine- rada em uma base contínua. Os incineradores empregados na câmara de fuligem são robustos e têm projeto simples. Os subprodutos de incinerador são gases não prejudiciais que circulam para a admissão de ar do motor como parte do sistema de EGR.

As aplicações diesel em que caso de oxidação de platina ativos são empregados oxidarão S02 em compostos de sulfato, e a coleta de fuli- gem deve substituir o processo de incineração. Isso é simplesmente devido ao fato de os compostos de sulfato não poderem ser incinerados. Uma recir- culação de compostos de sulfato para o motor como parte de EGR pode re- sultar em danos não assegurados ao sistema de admissão do motor. Isso leva a uma modalidade preferida na qual a fuligem é coletada na câmara de fuligem e, então, é processada finalmente em um tambor de processamento de fuligem 220 em péletes de fuligem para venda final como uma mercadoria conhecida como negro de fumo. A câmara de fuligem 170 é esvaziada pela conexão da segunda saída 178 no fundo da câmara 170 ao tambor de pro- cessamento de fuligem 220, temporariamente tamponando o tubo traseiro do caminhão e operando o motor próximo de condições sem carga por cerca de cinco minutos. O fluxo de escapamento do motor varrerá a fuligem coletada no fundo da câmara de fuligem 170 para o tambor de fuligem. H. Tambor de Processamento de Fuligem As aplicações nas quais é vantajoso coletar a fuligem ao invés de incinerá-la requerem o uso de um tambor de processamento de fuligem mostrado nas figuras 17 e 18. A função do tambor 200 é separar e coletar a fuligem no fundo de uma cavidade e comprimi-la periodicamente até uma pélete sólida comprimido ser formado. O pélete é liberado para um recipiente (saco plástico) para remessa e venda como uma mercadoria para a indústria química para aplicações, tal como, impressão. O sulfato e o ácido sulfúrico são coletados juntamente com a fuligem e as péletes podem ser de cor a- marronzada. O tambor de fuligem 200 é compreendido por um trado de distri- buição de fluxo de admissão 201. Duas ou quatro telas de barreira cônicas concêntricas 202 são instaladas no espaço circundante. Os lados traseiros das telas 202 são conectados ao coletor de saída 203. O coletor de saída 203 é conectado a um soprador intensificador de vácuo 204, o qual é usado para a criação de um vácuo suficiente para acionamento de um volume de fluxo mínimo através do tambor 200.

Conforme a fuligem aglomerada se coleta na tela 202, uma ca- mada de fuligem se acumula e a contrapressão através da tela 202 aumen- ta. Um mecanismo, portanto, é necessário para o sopro das camadas de fuligem. Duas modalidades preferidas podem ser empregadas: uma pulsa- ção de contrapressão, como mostrado na FIGURA 17, ou um vibrador de agitação de tela, como mostrado na FIGURA 18. A pulsação de contrapressão consiste em um pequeno com- pressor 205 enviando ar comprimido para um tanque de ar 206. O tanque de ar 206 é ligado por um tubo à traseira da tela 202 e o ar comprimido é libe- rado através de uma válvula de controle 207. A válvula 207 é ativada perio- dicamente, permitindo que pulsos de ar à alta pressão fluam para o lado tra- seiro das telas 202, liberando os bolos de fuligem. A fuligem liberada cai pa- ra o fundo da cavidade. Uma válvula de retenção carregada por mola 208 é empregada para proteção contra um desvio do ar pulsado.

No núcleo do tambor 200, um fuso operado por motor 209 acio- na o compactador 210 para baixo comprimindo a fuligem que caiu na cavi- dade cilíndrica até uma certa carga calibrada ser atingida. O motor pára e retorna o compactador para a posição para cima pronta para um segundo ciclo. Após ciclos repetidos de compactação, o pélete cresce até ele atingir uma certa altura. Um sinal elétrico significando que um pélete pleno foi for- mado, e um outro fuso operado por motor 211 remove a placa de manuten- ção de fundo 213 para longe da cavidade. No ciclo subsequente da opera- ção do fuso de motor 209, o compactador aciona o pélete para a plataforma de fundo 214.0 pélete é liberado para o saco 212 para remoção e remessa. A operação dos dois fusos de motor é controlada por um micro- processador (não mostrado) que tem uma lógica baseada na seqüência es- tabelecida de etapas. O controle de tambor de processamento de fuligem é ativado (ligado) quando estiver conectado à câmara de coleta de fuligem. O processo de esvaziamento da câmara leva uma média de cinco minutos pa- ra uma aplicação de caminhão. Uma vez que o carregamento de uma câma- ra de fuligem podería levar de três a seis meses de operação de caminhão, um tambor de processamento de fuligem pode servir a vários caminhões de tão baixo quanto dez até várias centenas.

Uma outra modalidade preferida para liberação de camadas de fuligem é um pulsador mecânico ou agitador, como mostrado na FIGURA 18. 0 agitador mecânico 218 provê uma liberação adequada do bolo de fuligem da tela 202. Para uma aplicação em que o teor de VOC é alto e a fuligem está úmida, uma abordagem de jato de pulso reverso é desejável. Por outro lado, quando a fração de VOC é baixa e a fuligem está relativamente seca, a abordagem de pulsador mecânico/agitador é preferida, uma vez que ela é mais simples e menos dispendiosa. I. Conversor de partículas - Quase Aglomeração/Filtração O conversor de partículas de quase aglomeração - filtração é pretendido para aplicações de fonte móvel. O conversor de partículas pode ter uma câmara única ou múltiplas câmaras. É mostrado na FIGURA 20 um conversor com duas câmaras, o que representa uma modalidade preferida para a maioria das aplicações móveis abaixo do piso. Em uma configuração de duas câmaras, o fluxo de admissão é dividido para as duas câmaras. Ca- da segmento de fluxo é dirigido para uma malha de fio compósito ou uma quase lã de compósito e um meio de tela de filtração, como mostrado nas figuras 24A e 24B. O meio de lã de aço compósito é caracterizado como sendo um meio aglomerador que tem baixa perda de pressão e baixa capa- cidade de retenção de fuligem. Por outro lado, o emprego de telas de reten- ção tendo aberturas de tamanho apropriado proverá uma função de filtração adicionada. Dependendo da temperatura de escapamento e da relação da fração de VOCs na fuligem, as telas acumulam fuligem no lado de montante do fluxo de escapamento. A fuligem acumulada pode formar um bolo. Estes fenômenos aumentarão a capacidade de retenção/eficiência de coleta de fuligem do meio de malha de fio compósito; e são acompanhados de um aumento na perda de pressão. O conversor de quase aglomeração/filtração aplainado é mos- trado na FIGURA 19, e tem uma admissão 255 para a derivação e a expan- são do fluxo entrando para a(s) câmara(s). As câmaras são separadas por uma placa separadora 257. Cada câmara tem o meio de quase aglomera- ção/filtração 258. Um mecanismo de porta deslizante passivo 265 é mostra- do na FIGURA 23. A saída 271 coleta o escapamento limpo e o leva para fora por uma tubulação. Uma modalidade B de incinerador passivo 280 é mostrada na FIGURA 25. O meio de quase aglomeração/filtração da FIGURA 19 pode ser feito em uma ou em múltiplas camadas tendo diferentes estratégias de proje- to. Para a obtenção da mais alta capacidade de retenção de fuligem e efici- ência, as camadas de montante são projetadas para a captura de partículas maiores. As camadas de jusante são projetadas para a captura de partículas de tamanho menor. Isso resultaria em um carregamento de fuligem quase uniforme através do meio e diminuiría o acúmulo de contrapressão versus carregamento de fuligem. A FIGURA 24A e a FIGURA 24B mostram três camadas de lã de aço e três camadas de lã de aço e telas, respectivamente. A lã de aço para a camada de montante tem um diâmetro de fibra médio de 16 a 25 mícrons (também referido como diâmetro de fibra hi- dráulico médio) e pode ter uma densidade de acondicionamento de 3% a 6% (a densidade de acondicionamento é definida como o peso percentual de lã de aço para o peso de aço sólido do mesmo volume). A tela podería ter uma contagem de malha (definida como o número de aberturas por 2,54 cm) de 50 x 50 ou 20 x 50. As camadas subsequentes terão um diâmetro de fibra menor, densidade de acondicionamento mais alta e contagem mais alta de malha por 2,54 cm, tal como um i de fibra de 25 a 32 pm, de 4% a 8% de densidade de acondicionamento e malha de 75 x 75, 10 x 100 ou malha de 40 x 100. A fuligem caracterizada como tendo uma alta percentagem de VOCs requerería um tamanho de fibra maior, densidade de acondicionamen- to mais baixa e contagem de malha de tela mais baixa para lidar com o "efei- to de goma" o qual aumentaria a perda de pressão.

Uma outra modalidade preferida para o conversor de partículas de quase aglomeração/filtração é uma configuração redonda, como na FI- GURA 22. A modalidade do meio de malha de fio é baseada em um projeto cilíndrico, no qual a malha de fio é cilíndrica, as folhas separadoras são ci- líndricas e o alojamento também é cilíndrico. O conversor também pode ter uma ou múltiplas câmaras. Esta modalidade é desejável em certas aplica- ções de caminhão, tais como, aquelas tendo silenciosos verticais. A FIGURA 22 mostra uma configuração redonda típica tendo duas câmaras. Todos os elementos e a lógica da modalidade redonda são essencialmente os mes- mos que aqueles para a modalidade aplainada. J. Sistema de Jato de Pulso Reverso Conforme o meio de malha de fio compósito/lã de aço se torna carregado com fuligem no lado de montante, os dendritos de fuligem migram na direção de corrente de fluxo. A camada de jusante do meio se torna even- tualmente carregada com fuligem, e além de um certo limite, a fuligem co- meçará a ser soprada (como partículas aglomeradas). Como resultado, a eficiência de coleta de fuligem do meio começa a se degradar e eventual- mente ela podería ter valores muito baixos.

Uma vez que o limite de sopro de fuligem comece, um jato de pulso reverso é ativado. Esta condição é disparada uma vez que um valor limite de perda de pressão através do conversor seja atingido. Pela pulsação de ar comprimido à alta pressão no lado a jusante da malha de fio, a fuligem coletada é soprada na direção oposta do fluxo de escapamento bruto en- trando. O jato de pulso reverso é projetado para soprar fuligem suficiente, permitindo que o meio de malha descarregue a quantidade de fuligem acu- mulada. A fuligem soprada se deposita no fundo da câmara por gravidade.

Para evitar que a fuligem seja agitada pelos gases de escapamento entran- do, uma tela perfurada pode ser inserida no compartimento inferior de cada câmara. A fuligem cai através das perfurações na tela. O escapamento pas- sa no topo da tela, enquanto a fuligem contida sob a tela é aprisionada, uma vez que não ocorre nenhum fluxo. É desejável ter uma pulsação de ar com- primido ocorrendo a baixos fluxos de escapamento, tal como uma condição sem carga ou quando o motor estiver desligado. Isso é desejável para a ma- ximização do efeito de desalojamento da fuligem. O fluxo de escapamento é em uma direção oposta à direção do ar pulsado e, assim, o fluxo de esca- pamento pode ter um efeito contrário àquele do jato de pulso. Ainda, para a maximização do efeito de jato de pulso, uma porta deslizante pode ser usa- da na saída de escapamento limpo de cada câmara. A porta se fecha tempo- rariamente por uma fração de segundo até dois segundos, durante uma pul- sação, para garantir que todo o ar pulsado passe através do meio de malha de fio. K. Lógica de Controle para Sistema de Jato de Pulso A estratégia essencial da lógica de controle da presente inven- ção é desalojar a fuligem acumulada no meio de malha de fio quando um valor limite for atingido, pulsar o meio e levá-lo de volta para as condições iniciais para começo de um outro ciclo de carregamento. Na vida real, duran- te uma operação do veículo, o carregamento de fuligem no meio pode ser medido através de uma medição de perda de pressão através do meio. En- tretanto, a perda de pressão é afetada também pelo fluxo de escapamento.

Uma vez que é desejável limitar a perda de pressão durante uma operação do veículo, uma lógica simplificada baseada na medição de perda de pres- são é empregada pelo emprego de um comutador de pressão. O comutador de pressão ativa um circuito elétrico quando o valor limite for atingido. Uma perda de pressão momentânea alta não é representativa de um carregamen- to de fuligem no meio. Entretanto, uma perda de pressão alta repetida duran- te uma operação cíclica de veículo pode ser usada como uma medida de carregamento de fuligem de limite no meio. A lógica de controle, portanto, é baseada na adição das durações quando o limite de perda de pressão alta for atingido, e quando a acumulação de tempo total atingir um valor prede- terminado, a lógica de controle iniciará o processo de pulsação. Os valores típicos do valor limite para perda de pressão alta estão na faixa de 101,6 a 152,4 cm (40 a 60 polegadas) de água. Os valores típicos do limite de tempo acumulado no e acima do valor limite de pressão podem estar na faixa de três a cinco. A lógica de controle típica do jato de pulso reverso é mostrada na FIGURA 26.

Quando as condições relativas ao início de um ciclo de jato de pulso são encontradas, e o processo de iniciação é ativado, outras condi- ções têm de ser satisfeitas. A primeira condição refere-se RPM do motor. A RPM do motor tem de estar próximo de inativo ou o motor é parado. Uma vez que o processo de pulsação é de menos de um segundo, satisfazer à condição de RPM baixa é instantâneo, o que pode ser simplesmente reali- zado uma vez que um veículo venha a parar. A segunda condição refere-se ao tempo requerido para se recompletar o tanque de ar comprimido para pulsar a próxima câmara. Este intervalo de tempo é de dois a dez minutos, dependendo da fonte do ar comprimido no veículo. O diagrama de lógica de controle é mostrado na FIGURA 26. L. Incinerador - Modalidade Preferida "B" O incinerador mais adequado para a modalidade aplainada ou redonda é mostrado na FIGURA 4. O incinerador é composto por uma série de placas eletricamente isoladas umas das outras, bem como, alternada- mente carregadas. As placas podem ser placas sólidas ou placas perfura- das. Ainda, é desejável ter as placas construídas a partir de área de inserção resistente à alta temperatura e revestido com um catalisador altamente ativo, tal como platina. Quando um incinerador é usado, é desejável ter o conver- sor aplainado ligeiramente inclinado em favor de permitir que a fuligem migre em direção ao incinerador, como resultado da gravidade, pulsação de gases de escapamento e no carregamento de choque e vibração induzido na es- trada. O incinerador é ativado uma vez que a fuligem forme uma ponte no espaço entre placas adjacentes tendo cargas opostas. Isso permite uma alta descarga de corrente elétrica a qual incinera a fuligem rapidamente. O volume de incinerador é suficientemente alto para armazenar cinza, um subproduto da incineração. É estimado que o incinerador requere- ría uma desmontagem periodicamente e um despejo da cinza. Tal intervalo de tempo de limpeza pode ser qualquer um na faixa de 40233,6 a 241401,6 km (25000 a 150000 milhas) de direção de veículo, dependendo da emissão de partículas de linha de base e dos ciclos de direção. M. Recirculação de Gás de Escapamento A recirculação de gás de escapamento (EGR) como incorporada na presente invenção resolve os problemas principais comumente encontra- dos com EGR em aplicações a diesel. O primeiro problema se refere ao fato de em condições de operação de motor inativo e de baixa carga existir uma pressão insuficiente através dos terminais de EGR, o que reduz o fluxo ne- cessário para uma redução de NOx almejada. Esta condição prevalece em condições de carregamento do motor inativo e de baixa carga. A incorpora- ção de um soprador intensificador de fluxo axial de alta eficiência 241 resol- verá este problema. O soprador 241 envia o fluxo necessário para a obten- ção da redução necessária de NOx, bem como, para garantir um fluxo de limpeza contínuo em todas as condições de operação do motor. Em condi- ções de carregamento de motor moderadas a altas, o soprador 241 estran- gulará o fluxo de EGR devido ao diferencial de pressão alto através dos ter- minais de EGR, quase funcionando como uma válvula de controle de EGR e, portanto, não consumindo virtualmente nenhuma potência. Em condições de carregamento de motor inativo e de baixa carga, ele tem um consumo de potência elétrica moderado. O fluxo de EGR é controlado através de uma unidade de contro- le simples 242 tendo uma lógica baseada em um sinal de RPM de motor 243 e um sinal de posição de estrangulamento 244. Este arranjo é mais preferido para aplicações de retroajuste de diesel. A lógica de controle de EGR é dras- ticamente simplificada se comparada com a lógica de OEM. A lógica de EGR da presente invenção é baseada na redução máxima de NOx e na penalida- de de combustível mais baixa, mas permitiría qualquer aumento em emis- sões visíveis, tais como partículas, HC e CO. Os aumentos nas emissões de linha de base visíveis e em partículas são reduzidos através do sistema de conversor. O sistema de EGR para o conversor de quase aglomera- ção/filtração emprega uma válvula desviadora 276. A posição de válvula desviadora é controlada por um sinal da unidade de ECU, como mostrado na FIGURA 20. O projeto único de válvula desviadora permite o envio preciso de fluxo de EGR pela restrição da área de fluxo para o tubo traseiro, e as- sim, aumentos na pressão e no tubo de EGR para a admissão de ar do mo- tor. O fluxo de EGR pode ser injetado à frente do filtro de ar de admissão.

Este arranjo permite uma remoção ainda maior de partículas aglomeradas de escape antes da entrada no sistema de admissão de ar do motor. A estratégia de EGR da presente invenção resolve os maiores problemas conhecidos associados à EGR e pode ser resumida como: (1) o fluxo de EGR é aumentado e controlado pelo soprador intensificador; (2) o fluxo de EGR é limpo de poluentes que podem se incrustar ou contaminar o sistema de admissão de ar do motor; e (3) os gases de escapamento são arrefecidos para uma temperatura baixa, antes de entrarem no conversor de partículas. Linhas de EGR de retomo proveem um arrefecimento adicional.

Os gases de escapamento recirculados de volta para o motor podem ser considerados uma EGR subarrefecida, que resolve os problemas associados à eficiência volumétrica e à performance do motor. N. Depurador de Água Quando água estiver disponível, a água é injetada no tubo de escapamento após o conversor, para a captura de gases de N02 da corrente de escapamento. O depurador de água também pode capturar compostos de sulfato. Um alcalino pode ser adicionado à água, para se melhorar a efi- ciência de captura de N02. O. Operação do Sistema Na maioria das aplicações estacionárias, os sistemas das FI- GURAS 1 e 2 são empregados. Tal sistema é compreendido por um catali- sador de oxidação de diesel pequeno, um tubo de escapamento de arrefe- cimento e o conversor de partículas. Durante a fase de partida do motor, uma fumaça transiente pesada ocorre, e o catalisador de oxidação não está ativo, mas o volume de VOCs está relativamente frio. Em outras palavras, estes VOCs e as partículas são condensados nas formas de nanopartículas líquidas ou sólidas. Estas partículas são coletadas e aglomeradas a altas eficiências no aglomerador. Os tubos de arrefecimento durante o aqueci- mento do motor provêem um efeito de arrefecimento pequeno ou insignifi- cante. Em condições de carga baixa do motor inativo, a temperatura de es- capamento e o fluxo são baixos. Como resultado, o efeito de separação cen- trífuga no separador ciclônico é drasticamente reduzido, o que prejudicaria a separação centrífuga de partículas. Entretanto, este fenômeno é contraba- lançado por dois outros fenômenos: retenção de fuligem no aglomerador e redução significativa de efeitos de turbulência e rodamoinho. Quando o fluxo de escapamento é baixo, tal como em condições sem carga de motor, as forças de arrasto aerodinâmicas nos dendritos de fuligem tramados na ma- lha de fio são drasticamente reduzidas. Isso resultará em diminuição da mi- gração de fuligem no meio de malha de fio compósito e em mudança do mo- do de operação de aglomeração para o modo de retenção. Neste caso, o aglomerador funcionará como um filtro. A turbulência e o rodamoinho tam- bém são reduzidos. O efeito líquido ainda é um escapamento limpo de partí- culas e substâncias de VOCs.

Conforme o motor aquece e o carregamento do motor aumenta, a temperatura de escapamento e o fluxo aumentam. Esta condição ativa o catalisador de oxidação levando a um aquecimento de hidrocarboneto, mo- nóxido de carbono e da fração leve de compostos de VOCs. Os tubos de arrefecimento proveem a função de redução das temperaturas de gás de escapamento para a temperatura baixa almejada de 121,1 a 148,9°C (250- 300°F) sob condições subseqüentes de operação do motor.

Ter o escapamento arrefecido para a faixa de 121,1 a 148,9°C (250-300°F) pode reduzir os fluxos de escapamento de carga plena em tanto quanto 40%. Ainda, a redução na viscosidade de gás de escapamento pode atingir 40% pelo arrefecimento do escapamento de 482,2 a 537,8°C (900- 1000°F) para a faixa de 148,9 a 121,1°C (300-250°F). O efeito líquido é uma redução da perda de pressão através do conversor de partículas por um fa- tor tão alto quanto 3,1, se comparado com aquele de um conversor sem uma tubulação de arrefecimento. Este fator é crítico para conformidade com as especificações de contrapressão máximas admissíveis do motor e resulta em uma penalidade de combustível mais baixa. Uma vez que o conversor pode prover uma função de atenuação boa, substituindo-se o silencioso pelo sistema de conversor, a contrapressão nos dois casos poderia ser uma la- vagem. O efeito líquido é de nenhum aumento na penalidade de combustível quando um silencioso for substituído pelo conversor.

Os aglomeradores de malha de fio de longe representam o meio mais efetivo de captura de partículas de submícron, se comparado com ou- tros meios de filtração conhecidos. Os mecanismos de captura de partículas em um meio de malha de fio são agrupados em três modos: impacto inercial, interceptação e difusão. Os dois primeiros modos de coleta não são eficazes para tamanhos pequenos de partículas, mas terão eficiência de fibra única apreciável uma vez que o tamanho de partículas aumente. O escapamento de diesel é caracterizado por ter partículas muito pequenas tendo em média 0,1 mícron e um número significativamente alto de partículas de tamanho nano. O modo de difusão de coleta de partículas emerge como sendo o mo- do dominante de captura de partículas de fuligem de diesel. As partículas pequenas exibem um movimento difusor aleatório significativo denominado movimento browniano, colidem com moléculas de gás e consequentemente tendem a se desviar de linhas de corrente de gás. Finalmente, tais partículas são depositadas em uma superfície rígida, tais como superfícies de fibra ou um depósito de fuligem entre as fibras, mediante uma colisão com tal super- fície rígida. As equações representando a eficiência de coleta de fibra única de partículas pequenas (modo de difusão) e a eficiência de coleta geral são dadas nas fórmulas abaixo: A eficiência de coleta de fibra única devido à difusão (ξϋ) é: onde Pe é o número de Peclet dado por: Pe = Vdf/D onde V é a velocidade de gás linear, df é o diâmetro de fibra efetivo, e D é o coeficiente de difusão ou difusividade de partícula, o qual é calculado por: onde C é o fator de correção de Cunningham, Kb é a constante de Boltzman, T é a temperatura absoluta do gás, pg é a viscosidade do gás, dp é o diâme- tro de partícula, e Kn é o número de Knudsen calculado por: onde λ = percurso livre médio de moléculas de gás, df = diâmetro de fibra efetivo. A eficiência de coleta total em um meio de fibra é dada por: onde: α é a densidade de acondicionamento de fibra e H é a espessura de filtro.

As fórmulas acima são para o modo de difusão de coleta de par- tículas apenas, o qual é o modo primário. Os dois outros modos de coleta de partículas são simplesmente postos de lado, devido ao seu efeito pequeno, mas quando considerados, a eficiência de coleta total é ligeiramente mais alta. A resolução das equações acima para valores diferentes de tamanhos de partículas mostra um aumento exponencial na eficiência de fibra única conforme o tamanho de partículas diminui. Por exemplo, as partículas tendo um tamanho de 1,0 mícron têm uma eficiência de fibra de impacto único de 0,001. As partículas tendo um tamanho de 0,1 mícron têm uma eficiência de interceptação de fibra única de 0,0007 e uma eficiência de fibra de difusão única de 0,05. Os tamanhos de partículas na faixa nano, tal como de 0,02 mícron (20 nanômetros) têm uma eficiência de interceptação de fibra única de 0,0001, enquanto eficiência de fibra de difusão única é de 0,300. Estas ilustrações são para um caso clássico de meio de malha de fio com α = 0,005, df = 10 mícrons, V = 8 cm/s, T = 200°C.

Deve ser notado, também, que as fórmulas precedentes são pa- ra meios de fibra virgens (isto é, sem terem um acúmulo de dendrito de fuli- gem). Uma vez que a fuligem comece a se acumular no meio de fibra, ela funciona como um outro meio de fibra tendo um tamanho de fibra muito pe- queno, aumentando a eficiência de captura de partículas para ainda mais alta. A eficiência de captura de nanopartículas pode ser tão alta quanto da ordem de magnitude de 105 (isto é, apenas uma partícula de 105 partículas entrando expressa pelo número de partículas capturadas escapa através do meio de fibra). Ainda, no projeto de aglomerador, o tamanho de fio é grande e o espaçamento médio entre fios é de além de 50 mícrons. Este recurso permite que os dendritos coletados/capturados migrem até eles deixarem o meio de fibra. A partir de dados de teste, o efeito de dendritos de fuligem capturados no meio de fibra exibe o modo dominante de coleta de partículas, se comparado a fibras metálicas. Isso leva à terminologia de aglomerador virgem, o qual se refere a um novo meio de fibra.

Será apreciado por aqueles versados na técnica que uma das diferenças principais entre um filtro e um aglomerador é a eficiência de re- tenção, a qual deve ser alta em um filtro e zero em um aglomerador. Em a- plicações de motor diesel, a velocidade de fluxo varia consideravelmente entre sem carga e carga plena. Em condições sem carga, o aglomerador funciona como um meio de filtro, devido às velocidades de fluxo baixas e pode acumular uma quantidade significativa de fuligem. A plena carga, o aglomerador poderia soprar mais dendritos de fuligem aglomerados do que a fuligem entrando. Entretanto, por uma ampla faixa de operação envolvendo condições sem carga, de carga média e de plena carga, a eficiência de re- tenção (aprisionamento) de aglomerador média é zero. Quando a fuligem é soprada em certos locais, no aglomerador, uma condição como essa é auto- corrigida. Quando a fuligem é soprada, mais fluxo é acelerado para aquela área e, conseqüentemente, um acúmulo de fuligem mais alto ocorre, até condições de equilíbrio com o equilíbrio do meio serem atingidas. A contra- pressão através do conversor de partículas pode aumentar em cerca de 50% em condições sem carga prolongadas de cinco horas. Quando a velocidade do motor aumentou de 800 RPM para 1100 RPM por de cinco a dez segun- dos, a contrapressão caiu em 40%. Isto é um modo de autocorreção para um acúmulo excessivo de fuligem.

As partículas aglomeradas podem ser dirigidas para o incinera- dor elétrico, onde a incineração ocorre quando a acumulação de fuligem a- tinge um limite em um ponto para um circuito elétrico. Devido à alta conduti- vidade elétrica da fuligem, uma corrente de golpe aquece a fuligem instanta- neamente. Na presença de oxigênio no escapamento e do revestimento de platina nas telas de incinerador, a fuligem é incinerada a uma baixa tempera- tura muito rapidamente, de forma típica em de 3 a 5 segundos. Uma vez que a incineração é localizada e intermitente na tela de incinerador, a subida de temperatura a jusante do incinerador é insignificante. Também, devido à quantidade limitada de fuligem incinerada em um dado local, a um teor de oxigênio limitado no escapamento e à velocidade de escapamento muito pequena através das telas, a subida de temperatura local é moderada e não resultaria em danos às telas. Os subprodutos de incineração são CO2, H20 e cinza. A cinza cai no fundo da cavidade do incinerador devido à vibração e à gravidade. Uma vez que tal cavidade tem um tamanho grande, a acumula- ção de cinza para o equivalente a 321868,8 a 643737,6 km (200000 a 400000 milhas) de direção pode ser armazenada, antes da cavidade preci- sar ser limpa. Entretanto, intervalos de limpeza de 241401,6 a 321868,8 km (150000 a 200000 milhas) são recomendados.

Os gases de escapamento que deixam o incinerador são limpos de material em partículas e são arrefecidos. Eles podem ser usados como uma EGR para redução moderada na emissão de NOx. Caso uma redução mais alta nas emissões de NOx sejam desejáveis, uma bomba intensificado- ra será usada para aumento e controle do fluxo de EGR. A lógica de controle da bomba intensificadora leva em conta a manutenção do fluxo de limpeza em cargas baixas de motor e assegurar que a quantidade apropriada de flu- xo de escapamento seja recirculada, resultando em máxima redução de NOx. Para a minimização do impacto na economia de combustível, um fluxo de EGR controlado é administrado em todas as condições de operação do motor. É ausente desta lógica de controle de EGR a minimização da emis- são de partículas de motor, uma vez que o sistema de pós-tratamento lida com tal emissão excessiva muito eficazmente.

Nas aplicações de motor diesel em que uma água de arrefeci- mento suficiente está disponível estacionária, marinha e por irrigação, surge a oportunidade de aumentar a redução de NOx além daquela gerada da EGR. Neste caso, um catalisador de oxidação de platina ativo é recomenda- do. Este catalisador oxida o SO2 em sulfatos e oxida de 50 - 70% de NO pa- ra N02, dependendo das temperaturas de escapamento. O sulfato pode ser coletado juntamente com um material em partículas provido, desde que os gases de escapamento sejam arrefecidos para temperaturas abaixo da tem- peratura de condensação de sulfato e sejam coletados com partículas no conversor. Os gases de escapamento deixando 0 conversor podem ser de- purados com água reduzindo as temperaturas de escapamento para de 93,3 a 65,5°C (200-150°F). Isso permite a captura de gases de N02 reativos pela água. Seria desejável adicionar substâncias alcalinas à água. A dissolução de N02 em água resultará na formação de ácido nítrico. Tal porção altamen- te diluída de ácido nítrico tem efeito insignificante sobre os grandes corpos de água, e poderia ter efeitos benéficos em aplicações de irrigação. Em re- sumo, o ácido sulfúrico e as partículas são coletados na câmara de fuligem enquanto a porção de ácido nítrico é descarregada e dissolvida na água, ao invés de ser descarregada no ar.

Pequenas aplicações de motor diesel, quando a experiência é no modo de operação transiente, requer uma adaptação de hardware de pós-tratamento reduzido. Um fator crítico é o tamanho e a complexidade do hardware. Isso levou ao desenvolvimento de uma outra modalidade empre- gando um meio de quase aglomeração/filtração. Tal meio é caracterizado por uma baixa eficiência de filtração, mas mediante a acumulação da primei- ra camada de fuligem, a eficiência de coleta aumenta. A presença de telas de filtração melhora a eficiência de coleta, conforme as camadas de fuligem são coletadas no lado de montante da tela. A eficiência de coleta de fuligem permanece essencialmente regular por um tempo significativo, o qual varia de 8 a 40 horas de operação, dependendo da emissão do motor. Após isso, conforme o meio compósito torna-se saturado com fuligem, um sopro de fu- ligem começará a ocorrer e a perda de pressão continuará a aumentar. Em um certo limite de perda de pressão, o meio começa a rejuvenescer ou re- generar para a condição inicial equivalente ao começo do ciclo de carrega- mento de fuligem, mas com alguma fuligem ainda deixada no meio compósi- to, para manutenção da alta eficiência de coleta de fuligem. Isso levou à a- doção da técnica de jato de pulso reverso. A eficiência de coleta típica e a característica de contrapressão para o quase meio mostrando o efeito de jato de pulso reverso e o começo de um novo ciclo de carregamento são mostradas na FIGURA 27. A técnica de jato de pulso reverso é mais única pelo fato de ela durar por uma fração de segundo; ela pode ser ativada quando o motor esti- ver desligado ou em condições sem carga. Isso permite a maximização do efeito de jato de pulso reverso, uma vez que ele flui na direção oposta do fluxo de escapamento. Assim, o fluxo de escapamento enfraquece o efeito do jato de pulso reverso. Uma vez que um jato de pulso seja ativado, a fuli- gem é soprada do meio para o lado a montante; e o meio está rejuvenescido e pronto para um outro ciclo de filtração de fuligem e coleta.

Os testes conduzidos em um conversor de quase aglomera- ção/filtração em um caminhão a diesel antigo de 1985 mostraram uma efici- ência de filtração de fuligem de 40% em um conversor "virgem". Após a a- cumulação de cerca de 643,7 km (400 milhas), a eficiência subiu para 90%.

Uma operação continuada por 804,7 km (500 milhas) adicionais aumentou a contrapressão para 152,4 cm H20 a 88,5 km/h (55 mph). O sistema então foi pulsado com ar comprimido. Não há mudança notável na eficiência de coleta após isso. Também foi observado que uma vibração induzida por suspensão no conversor, devido a condições da estrada, ajudou na diminuição da taxa de acúmulo de perda de pressão como uma função da quilometragem. Me- diante um exame da unidade, um acúmulo considerável de bolo foi observa- do no meio compósito e nas telas de filtração. O bolo de fuligem precedente poderia romper o meio, devido a uma vibração induzida pela estrada, o que poderia diminuir a contrapressão. Cerca de 0,454 (1 libra) kg de fuligem foi removido do fundo das duas câmaras, após 1609,3 (1000 milhas) km de di- reção.

Quando um incinerador é empregado com o conversor, o con- versor é montado com uma inclinação para ter o incinerador no ponto mais baixo para ajudar na migração de fuligem para a cavidade do incinerador.

Espera-se que um conversor como esse com um incinerador seja um dispo- sitivo sem manutenção, requerendo a limpeza de cinzas acumuladas a cada 241401,6 a 321868,8 km (150000 a 200000 milhas).

Um conversor tendo um saco de coleta de fuligem 272, como mostrado na FIGURA 21, não necessariamente precisa de um incinerador.

Tais conversores também não têm de ter um sistema de jato de pulso rever- so instalado como uma parte integral do conversor. Ao invés disso, o siste- ma de pulso pode ser estacionário e servir a múltiplos veículos. O sistema de ar de pulso reverso é ativado através do tubo traseiro de escapamento e o jato pulsado trabalha em todas as câmaras de conversor simultaneamente. O tamanho de saco deve ser suficiente para se expandir para acomodar o volume do ar pulsado na pressão ambiente. O ar pulsado varre a fuligem coletada no fundo do conversor para o saco. Para este tipo de operação, a fuligem é varrida para o saco durante cada evento de pulsação reversa.

Quando o saco estivesse carregado com fuligem, ele seria substituído por um saco vazio. É estimado que uma substituição de saco ocorra a cada 6 a 30 meses, dependendo da emissão de linha de base. Tal arranjo de sistema é atraente para o retroajuste de uma aplicação móvel de caminhão e ônibus, quando os veículos estiverem alojados em uma garagem de manutenção pelo menos uma vez por semana. A descrição da invenção é meramente de natureza de exemplo e, assim, variações que não se desviam do âmago da invenção são preten- didas para estarem no escopo da invenção. Tais variações não devem ser consideradas como um desvio do espírito e do escopo da invenção.

Claims (18)

1. Sistema de tratamento depois do escapamento de diesel para a limpeza de poluentes regulados e não-regulados de um escapamento de um motor diesel, o sistema caracterizado pelo fato de que compreende: um conversor de partículas de diesel (100) que tem um aglome- rador (102) para a aglomeração de material em partículas e um separador para a separação de material em partículas; um sistema de recirculação de gás de escapamento (200) que circula o escapamento limpo deixando uma câmara de coleta de partículas dentro do conversor de partículas de diesel (100) para uma janela a jusante de um filtro de ar de motor; um sistema de arrefecimento de escapamento (60,70,80) a mon- tante do conversor de partículas de diesel (100) para arrefecimento do esca- pamento; um catalisador de oxidação (10) a montante do sistema de arre- fecimento de escapamento (60,70,80); e um incinerador (120, 150).

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pe- lo fato de que o aglomerador (102) é construído de um meio de malha de fio compósito.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pe- lo fato de que compreende ainda uma câmara de coleta de fuligem (170) para coletar e reter fuligem aprisionada, a câmara de coleta de fuligem (170) sendo situada externa ao conversor de partículas de diesel (100).

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o sistema de arrefecimento de escapamento (60,70,80) inclui uma seção de arrefecimento de modo de radiação, uma primeira seção de arrefecimento de modo de convecção (70) que utiliza uma fonte de ar ambiente para o arrefecimento do escapamento, e uma segunda seção de arrefecimento (80) de modo de convecção que utiliza uma fonte de líquido para o arrefecimento do escapamento, a seção de arrefecimento de modo de radiação incluindo um ou mais tubos que têm uma área superficial maior do que a tubulação convencional e uma superfície externa escurecida, para um efeito máximo de arrefecimento.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, 3 ou 4, caracteri- zado pelo fato de que o conversor de partículas de diesel (100) para a a- glomeração e a separação de material em partículas do escapamento inclui: um alojamento (113); um separador centrífugo que tem um tubo de núcleo (111) radi- almente centralizado no alojamento, o tubo de núcleo (111) tendo uma plura- lidade de janelas (109) para a captura de fluxos de escapamento limpo; e uma pluralidade de trados helicoidais (105) que se estendem a partir do núcleo até o aglomerador (102) de modo que o escapamento entre no separador centrífugo em uma extremidade a montante, então seja força- do para um movimento helicoidal de ciclone e saia em uma extremidade a jusante.

6. Sistema, de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pe- lo fato de que o tubo de núcleo (111) centralizado captura e coleta camadas de escapamento limpo de uma maneira progressiva, conforme tais camadas limpas se desenvolvem através da pluralidade de janelas (109).

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pe- lo fato de que a pluralidade de janelas (109) é configurada para ter cama- das de escapamento limpo mudando de direção de fluxo radialmente em direção ao tubo de núcleo (111), impedindo que partículas fugitivas entrem de novo na corrente de ar limpo.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 6 ou 7, caracterizado pelo fato de que as janelas (109) são configuradas para terem aberturas que se estendem a partir do meio do canal de fluxo em direção ao trado (105), as aberturas parando próximo do trado (105), impedindo uma reentra- da de partículas fugitivas causada por um fenômeno de rodamoinho.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, 3, 4, 5, 6, 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que a malha de fio compósito tem tamanhos de fio e densidades de compacidade variáveis, os fios de aglomerador e as densidades tendo um espaçamento de vazios além de 50 mícrons para im- pedir um entupimento durante todas as condições de operação do motor.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 ou 9, caracterizado pelo fato de que ainda compreende: um sistema de pulsação de ar em comunicação de fluido com o conversor de partículas de diesel (100); um sensor para registrar uma queda de pressão no conversor de partículas e gerar um sinal de controle em resposta à queda de pressão ten- do um valor predeterminado; um módulo de controle eletrônico (ECU) para ativar o sistema de pulsação para remover matéria particulada a partir do meio de malha de fio.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que a ECU monitora a condição de operação do motor e inicia uma pulsação apenas quando o motor estiver desligado ou em uma condi- ção sem carga, para maximização do efeito de jato de pulso reverso sobre o meio.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que um conjunto de porta deslizante passivo (265) é ativado através do ar pulsado entrando, fazendo com que a porta deslizante se fe- che, uma ação como essa forçando todo o ar pulsado entrando a passar a- través do meio de quase aglomeração/filtração para garantir um sopro efeti- vo de fuligem de modo que a porta deslizante retorne para a posição aberta quando da conclusão da pulsação através de uma ação de mola de com- pressão.

13. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11 ou 12, caracterizado pelo fato de que a câmara de coleta de fuligem (170) inclui uma tela de retenção para a proporcionar um meio de barreira para o aprisionamento de fuligem aglomerada, o projeto de câmara e a mon- tagem fazendo com que o bolo de fuligem se acumule no fundo da tela (174) para cair para a metade inferior da câmara (170).

14. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a câmara de coleta de fuligem (170) inclui um sistema de vibração que tem uma moia e uma esfera de aço excitáveis a partir da pulsação e da vibração do veículo, a esfera de aço para causar uma ação de martelo em locais selecionados na tela (174) para a liberação contínua de bolos de fuligem e evitar que os bolos de fuligem se acumulem.

15. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 ou 14, caracterizado pelo fato de que ainda compreende um tambor de processamento de fuligem (220) para a coleta de fuligem aglomerada a partir de um grande número de câmaras de coleta de fuligem, o tambor (220) comprimindo a fuligem em uma pélete sólida para remessa e uso em aplicações industriais.

16. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que o tambor de processamento de fuligem inclui um sistema de pulsação traseiro para limpar periodicamente o conjunto de tela da fuligem acumulada.

17. Sistema, de acordo com qualquer uma das reivindicações 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 ou 16, caracterizado pelo fato de que o tambor de processamento de fuligem (220) inclui um vibrador mecânico para a liberação contínua do conjunto de tela da fuligem acumulada.

18. Método de tratamento do escapamento de um motor diesel caracterizado pelo fato de que compreende as etapas de: arrefecimento do escapamento originado de um catalisador de oxidação para uma temperatura abaixo de uma temperatura de condensa- ção de sulfato; aglomeração de partículas do escapamento; coleta e separação das partículas aglomeradas do escapamen- to, e incineração das partículas.