BR102016014273B1

BR102016014273B1 - Método para operação de um motor a gás, dispositivo e central termoelétrica estacionária de geração de energia e/ou veículo para realização do método

Info

Publication number: BR102016014273B1
Application number: BR102016014273-3A
Authority: BR
Inventors: Bruno Barciela; Martin McMACKIN
Original assignee: Man Truck & Bus Ag
Priority date: 2015-06-20
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2023-03-28
Also published as: RU2016124103A; US20160369678A1; EP3106637A1; US10753251B2; BR102016014273A2; CN106257005A; RU2721001C2; DE102015007908A1; EP3106637B1; CN106257005B

Abstract

MÉTODO PARA OPERAÇÃO DE UM MOTOR A GÁS, DISPOSITIVO E CENTRAL TERMOELÉTRICA ESTACIONÁRIA DE GERAÇÃO DE ENERGIA E/OU VEÍCULO PARA REALIZAÇÃO DO MÉTODO A invenção se refere a um método para operação de um motor a gás, em que é provido um sistema de gás de escape (29) conectado ao motor a gás (3), através do qual circula o gás de escape (30) do motor a gás (3) em que o motor a gás (3) é operado com uma mistura gasosa pobre de ar e gás de combustão (6), em que o motor a gás (3) é operado conforme o ciclo de Miller, de modo que ponto de fechamento da válvula de admissão do motor a gás (3) se encontre no intervalo de ângulo de manivela de 50° antes do UT (ponto morto inferior) até 10° antes do UT. De acordo com a invenção, o sistema de gás de escape (29) possui pelo menos um elemento catalisador SCR (31), por meio do qual os óxidos de nitrogênio (NOx) do gás de escape (30) que flui através do elemento catalisador SCR (31) são reduzidos com hidrocarbonetos (CyHz) como agente redutor. A invenção se refere, também, a um dispositivo e a uma central termoelétrica estacionária de geração de energia e/ou um veículo para a (...).

Description

[0001] A invenção se refere a um método para a operação de um motor a gás, particularmente estacionário, de acordo com o preâmbulo da reivindicação de patente 1, a um dispositivo com um motor a gás, particularmente estacionário, de acordo com o preâmbulo da reivindicação de patente 14 e a um veículo, particularmente um veículo comercial, para a realização do método e/ou com o dispositivo de acordo com a reivindicação da patente 15. É conhecido operar um motor a gás a ser operado com um gás de combustão que contém carbono com uma mistura gasosa pobre de gás de combustão e ar (por exemplo, proporção de ar e gás de combustão À=1,7). Deste modo, os óxidos de nitrogênio (NOx) emitidos a partir do motor a gás são mantidos baixos. No entanto, sob certas condições termodinâmicas, um modo de operação significativamente enxuto do motor a gás pode resultar em uma clara redução da eficiência do motor a gás. Adicionalmente, pode ser necessário, no caso de um motor a gás operado de modo enxuto, prover um tratamento final do gás de escape a reduzir o óxido de nitrogênio em um sistema de gás de escape subsequente ao motor a gás, por exemplo, se os óxidos de nitrogênio (NOx) emitidos a partir do motor a gás exceder os valores limites legais estipulados. Geralmente, no caso de um motor operado de modo enxuto, um catalisador ativo NH3-SCR (Redução Catalítica Seletiva) é utilizado como um elemento de tratamento final do gás de escape para a redução do NOX, por meio do qual os óxidos de nitrogênio (NOx) do gás de escape que flui através do catalisador SCR são reduzidos com amônia (NH3) como agente redutor. Assim, a amônia é, geralmente, introduzida no sistema de gás de escape como uma solução aquosa de uréia entre o motor a gás e o catalisador SCR, visto na direção de fluxo do gás de escape, uma vez que o gás de escape que flui diretamente a partir do motor a gás, normalmente, não contém qualquer amônia. No entanto, uma alimentação de tal modo de amônia é dispendiosa devido à provisão de injetores adicionais, de tanque adicional e de um controle de dosagem (incluindo sensores) e caro, particularmente por causa do consumo constante de amônia.

[0002] Além disso, também é conhecido operar um motor a gás operado com um gás de combustão que contém carbono de acordo com um processo de ciclo de Miller. No caso desse processo do ciclo de Miller, as válvulas de admissão do motor a gás são fechadas muito cedo. Como resultado, a carga que se encontra em um cilindro do motor a gás é inicialmente expandida, resultando em uma diminuição da temperatura em uma câmara de combustão do cilindro. Uma diminuição da temperatura na câmara de combustão provoca um aumento na resistência à detonação do motor a gás. Desse modo, a proporção de compressão do motor a gás e, portanto, a eficiência do motor a gás pode ser aumentada.

[0003] No caso da utilização do processo de ciclo de Miller, é geralmente necessário aplicar o ar de combustão alimentado ao motor a gás ou a mistura gasosa de gás de combustão e ar de combustão alimentado ao motor a gás com uma alta pressão de alimentação. Esta alta pressão de alimentação ou um gradiente positivo de limpeza por meio da câmara de combustão conduz a um aumento da eclosão de hidrocarbonetos não queimados (CyHz), no caso de motores a gás com a formação externa de mistura, de modo que uma grande quantidade de hidrocarbonetos (CyHz) é emitido a partir do motor a gás. Esta eclosão de hidrocarbonetos não queimados (CyHz) pode ser reduzida por meio de uma redução da sobreposição de válvula (período, no qual tanto as válvulas de admissão, como as válvulas de escape do motor a gás são abertas). No entanto, uma redução da sobreposição de válvula geralmente provoca uma queda da eficiência do motor a gás.

[0004] Em resumo, pode, por conseguinte, ser concluído que um motor a gás operado de modo enxuto e de acordo com o processo do ciclo de Miller não pode ser operado com a máxima eficiência possível, devido à sobreposição reduzida de válvula. Adicionalmente, a utilização de um catalisador SCR NH3 para a diminuição de óxidos de nitrogênio (NOx) emitidos a partir do motor de combustão interna tem as desvantagens já mencionadas.

[0005] Por conseguinte, é a tarefa da presente invenção, proporcionar um método para a operação de um motor a gás, particularmente estacionário, como também um dispositivo com um motor a gás, particularmente estacionário, por meio dos quais o motor a gás pode ser operado com uma eficiência elevada e as substâncias tóxicas contidas no gás de escape do motor a gás podem ser reduzidas de uma maneira simples e eficaz.

[0006] Esta tarefa é resolvida por meio das características das reivindicações independentes. Modalidades preferenciais são divulgadas nas reivindicações dependentes.

[0007] De acordo com a reivindicação de patente 1, um método é proposto para a operação de um motor a gás, particularmente estacionário, em que um trem de força conectado ao motor a gás é provido, através do qual circula o gás de escape do motor a gás, em que o motor a gás é operado com uma mistura gasosa pobre de ar e gás de combustão, em que o motor a gás é operado de acordo com um processo do ciclo de Miller, preferencialmente, de tal maneira que o ponto de fechamento da pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás se encontra em um intervalo de ângulo de manivela de cerca de 50° de ângulo de manivela antes do UT (ponto morto inferior) até cerca de 10° de ângulo de manivela antes do UT. De acordo com a invenção, o sistema de gás de escape possui pelo menos um elemento catalisador SCR, por meio do qual os óxidos de nitrogênio (NOx) do gás de escape que flui através ou sobre o elemento catalisador SCR são reduzidos com hidrocarbonetos (CyHz) como agente redutor, em que pelo menos uma parte do hidrocarboneto (CyHz) que flui através do elemento catalisador SCR é um componente do gás de escape do motor a gás.

[0008] Desta forma, o motor a gás pode ser operado com uma eficiência particularmente elevada, uma vez que os hidrocarbonetos não queimados (CyHz) do gás de escape são agora usados como agente redutor para a redução dos óxidos de nitrogênio (NOx) contidos no gás de escape. Como resultado, o motor a gás pode ser operado, por exemplo, com uma maior sobreposição de válvula, o que possibilita um aumento da eficiência do motor a gás. Adicionalmente, o motor a gás pode também ser operado, por exemplo, com uma mistura gasosa rica de ar e gás de combustão, de modo que a eficiência do motor a gás pode ser igualmente aumentada. Além disso, o motor a gás também pode ser operado, por exemplo, com uma pressão elevada de alimentação, o que pode provocar igualmente um aumento da eficiência do motor a gás. Ademais, o ponto de ignição também pode ser ajustado na direção anterior, de modo que a eficiência do motor a gás pode ser aumentada igualmente. Além disso, pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás pode ser fechada mais cedo, de modo que a eficiência do motor a gás pode ser aumentada. A quantidade elevada de hidrocarbonetos (CyHz) emitidos, devido à sobreposição elevada de válvula e/ou à mistura gasosa mais rica de ar e gás de combustão e/ou à pressão elevada de alimentação e/ou ao ponto de ignição anterior e/ou ao ponto anterior de fechamento da válvula de admissão, é novamente reduzida por meio da reação dos hidrocarbonetos (CyHz) emitidos com os óxidos de nitrogênio (NOx) contidos no gás de escape. Ademais, as substâncias tóxicas contidas no gás de escape também são reduzidas de modo particularmente simples e efetivo por meio do gerenciamento do método de acordo com a invenção, uma vez que, para a redução dos óxidos de nitrogênio (NOx) contidos no gás de escape, nenhuma amônia precisa ser introduzida. A redução dos óxidos de nitrogênio (NOx) ocorre agora por meio dos hidrocarbonetos (CyHz) já contidos no gás de escape do motor a gás.

[0009] Os elementos catalisadores SCR, por meio dos quais os óxidos de nitrogênio (NOx) são reduzidos com hidrocarbonetos (CyHz) como agente redutor já são conhecidos a partir do estado da técnica. Aqui, os óxidos de nitrogênio (NOx) são geralmente convertidos em conformidade com a seguinte equação de reação:

[0010]

[0011] (x=1 ou 2)

[0012] Com o metano como agente redutor, a equação de reação pode ser, por exemplo, como se segue:

[0013]

[0014]

[0015] Reações paralelas/secundárias no elemento catalisador SCR e/ou reações principais em um elemento catalisador opcionalmente provido de oxidação podem ser, por exemplo, as seguintes:

[0016]

[0017]

oxidação em geral)

[0018]

[0019] Em uma modalidade preferencial de acordo com a invenção, o motor a gás é operado com uma mistura gasosa de ar e gás de combustão, a qual possui uma proporção de ar e gás de combustão (lambda) de 1,2 a 1,6.

[0020] Mais preferencialmente, o ponto de ignição do motor a gás se situa em um intervalo de ângulo de manivela de 40° de ângulo de manivela antes do OT (ponto morto superior) até 10° de ângulo de manivela antes do OT. Particularmente preferencial, é provido, que o ponto de ignição do gás a motor se situe em um intervalo de ângulo de manivela de 30° de ângulo de manivela antes do OT até 15° de ângulo de manivela antes do OT. Por meio de um ponto de ignição de tal maneira, o motor a gás pode ser operado com uma eficiência particularmente elevada.

[0021] Preferencialmente, o ponto de fechamento da pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás se situa em um intervalo de ângulo de manivela de 45° de ângulo de manivela antes do UT até 20° de ângulo de manivela antes do UT. Por meio desse fechamento adiantado da pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás, o processo do ciclo de Miller é otimizado e o motor a gás é operado com uma eficiência particularmente elevada.

[0022] Em uma outra modalidade preferencial, a sobreposição de válvula de pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás e de pelo menos uma válvula de escape do motor a gás possui um valor de sobreposição de válvula de 0° de ângulo de manivela a 50° de ângulo de manivela, preferencialmente um valor de sobreposição de válvula de 30° de ângulo de manivela a 50° de ângulo de manivela. Por meio de um valor de sobreposição de válvula de 30° de ângulo de manivela a 50° de ângulo de manivela, o motor a gás pode ser operado com uma eficiência particularmente elevada e, em conexão com um catalisador SCR, as substâncias tóxicas contidas no gás de escape do motor a gás podem ser reduzidas particularmente de modo efetivo.

[0023] Preferencialmente, o motor a gás é operado com um gás de combustão, o qual possui uma porcentagem de metano (CH4) maior do que 40% em volume, preferencialmente maior do que 60% em volume, particularmente preferencialmente maior do que 80% em volume. Assim, é provido, preferencialmente, que o gás de combustão seja formado pelo menos parcialmente por gás natural e/ou por biogás.

[0024] Em uma disposição preferencial, o sistema de gás de escape possui pelo menos uma turbina de gás de escape de um turbocompressor de gás de escape. Assim é provido, preferencialmente, que pelo menos um elemento catalisador SCR, visto na direção do fluxo do gás de escape, seja disposto a montante da turbina de gás de escape sobre ou no sistema de gás de escape. Um arranjo de tal maneira é vantajoso, uma vez que por meio da reação dos hidrocarbonetos (CyHz) com os óxidos de nitrogênio (NOx) e oxigênio (O2) é liberada energia térmica e, com isso, a entalpia do gás de escape é elevada. Por meio dessa elevada entalpia do gás de escape, a eficácia ou o desempenho de compressão do turbocompressor de gás de escape é elevado. Além disso, um tal arranjo do elemento catalisador SCR é vantajoso, se, por meio da pressão do gás de escape ou da temperatura do gás de escape a jusante da turbina de escape é, portanto, mais barato para atingir uma taxa desejada de conversão dos óxidos de nitrogênio (NOx) e hidrocarbonetos (CyHz).

[0025] Alternativamente e/ou adicionalmente, no entanto, pelo menos um elemento catalisador SCR pode também ser disposto, visto na direção do fluxo do gás de escape, sobre ou no sistema de gás de escape a jusante da turbina de gás de escape. Um tal arranjo é vantajoso, se a temperatura do gás de escape a montante da turbina de gás escape representa uma tensão térmica muito elevada para o elemento catalisador SCR. Além disso, um tal arranjo é também vantajoso, se a energia térmica liberada por meio das reações que ocorre no elemento catalisador SCR conduz a uma tensão térmica elevada da turbina de gás de escape. Ademais, um tal arranjo do elemento catalisador SCR é vantajoso, se, desse modo, a pressão do gás de escape ou a temperatura do gás de escape a jusante da turbina de gás de escape é, portanto, mais favorável para se atingir a taxa desejada de conversão dos óxidos de nitrogênio (NOx) e hidrocarbonetos (CyHz). (Por exemplo, devido à relação de NO2/ NOx, a qual é termodinamicamente limitada no caso de temperaturas elevadas).

[0026] Adicionalmente preferencial, é provido um equipamento de recuperação de energia, por meio do qual a energia utilizável a partir da energia térmica do gás de escape pode ser recuperada e/ou gerada, em que o equipamento de recuperação de energia possui pelo menos um permutador de calor absorvedor de calor, por meio do qual a energia térmica do gás de escape pode ser absorvida. Preferencialmente, também é provido, que pelo menos um permutador de calor absorvedor de calor, visto na direção do fluxo do gás de escape, seja disposto sobre ou no sistema de gás de escape a jusante do elemento catalisador SCR. Este arranjo do permutador de calor absorvedor de calor é vantajoso, uma vez que, assim, pode ser utilizada, devido ao elemento catalisador SCR, a entalpia aumentada do gás de escape para a recuperação da energia utilizável. Aqui, a energia utilizável pode ser configurada, por exemplo, como uma energia hidráulica e/ou pneumática e/ou elétrica e/ou mecânica. A recuperação da energia pode ocorrer, por exemplo, por meio de um processo termodinâmico de ciclo.

[0027] Preferencialmente, o sistema de gás de escape possui pelo menos um elemento catalisador de oxidação. Preferencialmente, é provido, que pelo menos um elemento catalisador de oxidação, visto na direção de fluxo do gás de escape, seja disposto sobre ou no sistema de gás de escape a montante do elemento catalisador SCR. Um arranjo do elemento catalisador de oxidação a montante do elemento catalisador SCR tem a vantagem, que a oxidação do óxido nítrico (NO) para dióxido de nitrogênio (NO2) é, primeiramente, estimulado por meio do elemento catalisador de oxidação. Como resultado, a proporção de NO2/NOx do gás de escape que flui para o elemento catalisador SCR é aumentado e a redução dos óxidos de nitrogênio (NOx) é facilitada por meio do elemento catalisador SCR. Ademais, o elemento catalisador de oxidação, preferencialmente, visto na direção de fluxo do gás de escape, é disposto no ou sobre o sistema de gás de escape a montante do permutador de calor absorvedor de calor do equipamento de recuperação de energia, a fim de usar o aumento da entalpia do gás de escape por meio do elemento catalisador de oxidação para a recuperação da energia utilizável.

[0028] Alternativamente e/ou adicionalmente, no entanto, pelo menos um elemento catalisador de oxidação pode ser disposto, visto na direção de fluxo do gás de escape, sobre ou no sistema de gás de escape a jusante do elemento catalisador SCR. Por meio de um elemento catalisador de oxidação disposto a jusante do elemento catalisador SCR, os hidrocarbonetos (CyHz) que fluem a jusante do elemento catalisador SCR podem ser convertidos.

[0029] Além disso, preferencialmente, o elemento catalisador SCR e o elemento catalisador de oxidação são formados por meio de um único elemento catalisador, a fim de efetuar uma estrutura particularmente compacta. Assim, é provido, preferencialmente, que um substrato do elemento catalisador seja revestido com um material catalisador, o qual possui tanto um efeito redutor de óxidos de nitrogênio, como também um efeito oxidante.

[0030] Preferencialmente, um substrato do elemento catalisador possui pelo menos uma região de redução do óxido de nitrogênio, na qual o substrato é revestido com um material catalisador redutor de óxido de nitrogênio, em que o substrato possui pelo menos uma região de oxidação adjacente da região de redução do óxido de nitrogênio ou espaçada da região de redução do óxido de nitrogênio, em que, na região de oxidação, o substrato é revestido com um material catalisador oxidante.

[0031] Alternativamente, o substrato do elemento catalisador também pode ser revestido com uma pluralidade de camadas de material catalisador uma por cima da outra e/ ou que se situam uma atrás da outra, em que pelo menos uma camada possui um material catalisador com um efeito redutor do óxido de nitrogênio, e em que pelo menos uma camada possui um material catalisador com um efeito oxidante.

[0032] Em uma outra modalidade preferencial, é provido um equipamento de transporte, por meio do qual o gás de combustão armazenado em um tanque de combustível é transportado no sistema de gás de escape em uma região de introdução do gás de combustão do sistema de gás de escape, em que a região de introdução do gás de combustão, visto na direção do fluxo do gás de escape, é disposta no sistema de gás de escape a jusante de uma região de introdução do gás de combustão, na qual o gás de escape do motor a gás se dirige ao sistema de gás de escape, e a montante do elemento catalisador SCR. Por meio de um tal equipamento de transporte, os hidrocarbonetos (CyHz) podem, por exemplo, ser introduzidos no sistema de gás de escape, se a quantidade de hidrocarbonetos (CyHz) contidos no gás de escape do motor a gás é muito pequena, a fim de reduzir de modo efetivo e suficiente o óxido de nitrogênio contido no gás de escape. Assim, é provido, preferencialmente, um equipamento de regulagem e/ou controle, por meio do qual a quantidade do gás de combustão transportado por meio do equipamento de transporte é regulada e/ou controlada. Por meio do equipamento de regulagem e/ou controle, a quantidade do gás de combustão transportado por meio do equipamento de transporte é, preferencialmente, de tal modo regulada e/ou controlada, que os óxidos de nitrogênio contidos no gás de escape são mantidos sempre abaixo do valor limite de óxido de nitrogênio, independente do modo de operação do motor a gás. O valor limite definido de óxido de nitrogênio pode ser estabelecido, por exemplo, por meio de regulamentos relativos ao gás de escape. Uma tal regulação é vantajosa sobretudo no caso de motores a gás, os quais são operados em um amplo campo de pontos operacionais. Tais motores a gás são providos geralmente em um veículo.

[0033] Ademais, o material catalisador do elemento catalisador SCR contém, preferencialmente, prata e/ou cobre e/ou platina e/ou índio e/ou CeO2 e/ou cobalto e/ou paládio como componente ativo. Por meio de tais componentes ativos, os óxidos de nitrogênio contidos no gás de escape são reduzidos particularmente de modo efetivo, particularmente com metano como meio redutor. Além do mais, preferencialmente, o material catalisador do elemento catalisador SCR contém Al2O3 e/ou TiO2 e/ou SiO2 e/ou ZrO2 como um componente de suporte. Alternativamente e/ou adicionalmente, o material catalisador do elemento catalisador SCR pode conter também zeólito e/ou um zeólito modificado (modificado, por exemplo, por meio da permuta iônica e/ou por meio da inserção de partículas de metal).

[0034] Particularmente preferencial, uma camada de material catalisador do elemento catalisador SCR é composta, pelo menos em certas áreas, por Ag-Al2O3, preferencialmente por Ag-Al2O3 contendo de 1 a 3% em peso de Ag. Com uma tal composição do material catalisador, é alcançada uma taxa de conversão particularmente alta dos óxidos de nitrogênio contidas no gás de escape. Particularmente, uma taxa elevada da conversão dos óxidos de nitrogênio também é alcançada por meio de um tal material catalisador, quando grandes quantidades de água estão presentes. Alternativamente e/ou adicionalmente, uma camada de material catalisador do elemento catalisador SCR é composta, pelo menos em certas áreas, por Pt/In-ZSM-5 e/ou por CeO2-In-ZSM e/ou por Co-ZSM-5. Por meio de camadas de tal modo configuradas de material catalisador, uma taxa elevada de conversão dos óxidos de nitrogênio contidos no gás de escape também é alcançada. Alternativamente e/ou adicionalmente, uma camada de material catalisador do elemento catalisador SCR contém, pelo menos em certas áreas, Cu-Al2O3, preferencialmente Cu-Al2O3 contendo de 6 a 10% em peso de Cu. Ademais, uma camada de material catalisador do elemento catalisador SCR contém, pelo menos em certas áreas, Pd-ZrO2, preferencialmente Pd-ZrO2 contendo de 0,1 a 0,5% em peso de Pd.

[0035] Para resolver a tarefa já mencionada, um dispositivo é além do mais reivindicado com um motor a gás, particularmente estacionário, com um sistema de gás de escape conectado ao motor a gás, através do qual circula o gás de escape do motor a gás, em que o motor a gás pode ser operado com uma mistura gasosa pobre de ar e gás de combustão, em que o motor a gás pode ser operado de acordo com um processo do ciclo de Miller, preferencialmente, de tal maneira que o ponto de fechamento da pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás se encontra em um intervalo de ângulo de manivela de cerca de 50° do ângulo de manivela antes do UT (ponto morto inferior) até cerca de 10° do ângulo de manivela antes do UT. De acordo com a invenção, o sistema de gás de escape possui pelo menos um elemento catalisador SCR, por meio do qual os óxidos de nitrogênio (NOx) do gás de escape que flui através do elemento catalisador SCR podem ser reduzidos com hidrocarbonetos (CyHz) como agente redutor, em que pelo menos uma parte do hidrocarboneto (CyHz) que flui através do elemento catalisador SCR é um componente do gás de escape do motor a gás.

[0036] As vantagens obtidas por meio do dispositivo de acordo com a invenção são idênticas as vantagens já reconhecidas do gerenciamento do método de acordo com a invenção, de modo que estas não serão repetidas neste ponto.

[0037] Ademais, uma central termoelétrica estacionária de geração de energia e/ou um veículo, particularmente um veículo comercial, é reivindicado para a realização do método de acordo com a invenção e/ou com o dispositivo de acordo com a invenção. As vantagens obtidas por este também são idênticas as vantagens já reconhecidas do método de acordo com a invenção, de modo que estas, igualmente, não serão repetidas.

[0038] As modalidades precedentes explicadas e/ou reproduzidas nas reivindicações dependentes da invenção podem ser usadas - exceto, por exemplo, nos casos de dependências evidentes ou alternativas incompatíveis - individualmente ou em combinação qualquer uma com a outra.

[0039] A invenção e as suas modalidades, como também as suas vantagens são explicadas em maior detalhe a seguir com base nos desenhos, somente por meio de exemplo.

[0040] Os desenhos ilustram:

[0041] Figura 1 a estrutura de uma primeira modalidade de um dispositivo de acordo com a invenção, em uma representação esquemática;

[0042] Figura 2 a estrutura de um elemento catalisador SCR no dispositivo, em uma representação esquemática;

[0043] Figura 3 uma segunda modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1;

[0044] Figura 4 uma terceira modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1;

[0045] Figura 5 uma quarta modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1

[0046] Figura 6 uma quinta modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1;

[0047] Figura 7 uma sexta modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1;

[0048] Figura 8 uma sétima modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1; e

[0049] Figura 9 uma oitava modalidade do dispositivo, em uma representação gráfica de acordo com a Figura 1.

[0050] A estrutura de uma primeira modalidade de um dispositivo de acordo com a invenção é ilustrada na Figura 1. O dispositivo 1 possui um motor a gás 3, o qual é operado com um gás de combustão contendo carbono 4 como combustível. O gás de combustão 4 possui, preferencialmente, uma porcentagem de metano (CH4) maior do que 80% e pode ser formada, por exemplo, por gás natural. A mistura gasosa de ar de conexão e gás de combustão 6 é aqui formada fora do motor a gás 3 ou externamente, por exemplo.

[0051] Como indicado a partir da Figura 1, o ar de combustão 5 flui para um coletor de admissão 7 do dispositivo 1 durante a operação do motor a gás 3. O coletor de admissão 7 possui, visto na direção de fluxo do ar de combustão, um compressor 9 de um turbocompressor 11, um sensor de pressão 13, um refrigerador de ar de alimentação 15, um sensor de pressão 17, uma válvula de estrangulamento 19 e um equipamento de mistura do ar de combustão e o gás de combustão 21. Aqui, a título de exemplo, uma linha de fornecimento 23 é conectada ao equipamento de mistura do ar de combustão e o gás de combustão 21, por meio da qual o gás de combustão 4 do equipamento de mistura do ar de combustão e o gás de combustão 21 armazenado em um tanque de combustível 25 do dispositivo 1 é alimentado. Nesse caso, o gás de combustão 4 é transportado, por exemplo, por meio de uma bomba 27 saindo do tanque de combustível 25 para o equipamento de mistura do ar de combustão e o gás de combustão 21.

[0052] De acordo com a Figura 1, o dispositivo 1 possui, além disso, também um sistema de gás de escape 29, através do qual circula um gás de escape 30 do motor a gás 3. O sistema de gás de escape 29 possui um elemento catalisador SCR 31, por meio do qual os óxidos de nitrogênio (NOx) do gás de escape que flui através do elemento catalisador SCR 31 são reduzidos com hidrocarboneto (CyHz) como agente redutor. Aqui, o hidrocarboneto (CyHz) que flui através do elemento catalisador SCR 31 é um componente do gás de escape 30 do motor a gás 3.

[0053] Na Figura 2, a estrutura do elemento catalisador SCR 31 é ilustrado esquematicamente. O elemento catalisador SCR 31 possui um substrato 33, o qual é revestido com um material catalisador 35. O material catalisador ou a camada de material catalisador 35 possui um componente de suporte 37 e um componente ativo 39. O material catalisador 35 contém, preferencialmente, prata e/ou cobre e/ou platina e/ou índio e/ou CeO2 e/ou cobalto e/ou paládio como componente ativo 39. O material catalisador 35 contém Al2O3 e/ou TiO2 e/ou SiO2 e/ou ZrO2 como um componente de suporte 37. Alternativamente e/ou adicionalmente, o material catalisador 39 pode também possuir zeólito e/ou um zeólito modificado.

[0054] De acordo com a Figura 1, a título de exemplo, o sistema de gás de escape 29, visto na direção do fluxo do gás de escape, possui também um elemento catalisador de oxidação 41 disposto entre o motor a gás 3 e o elemento catalisador SCR 31. Adicionalmente, a título de exemplo, uma turbina de gás de escape 42 do turbocompressor 11 é disposta no ou sobre o sistema de gás de escape 29, visto na direção do fluxo do gás de escape, a jusante do elemento catalisador SCR 31.

[0055] Além disso, por exemplo, o motor a gás 3 é operado com uma mistura gasosa de ar e gás de combustão, a qual possui uma proporção de ar e gás de combustão (lambda) de 1,2 a 1,6. Ademais, o ponto de ignição do motor a gás 3 se situa em um intervalo de ângulo de manivela de 40° de ângulo de manivela antes do OT (ponto morto superior) até 10° de ângulo de manivela antes do OT. Além do mais, o ponto de fechamento de, neste caso, duas válvulas de admissão do motor a gás 3 se situa, por exemplo, em um intervalo de ângulo de manivela de 50° de ângulo de manivela antes do UT (ponto morto inferior) até 10° de ângulo de manivela antes do UT. Ademais, a sobreposição de válvula da válvula de admissão do motor a gás 3 e de, por exemplo, duas válvulas de escape do motor a gás 3 possui aqui, por exemplo, um valor de sobreposição de válvula de 0° a 50° de ângulo de manivela. Por meio desse modo de operação do motor a gás 3, uma eficiência particularmente elevada do motor a gás 3 e uma redução efetiva das substâncias tóxicas contidas no gás de escape do motor a gás 3 é alcançada em combinação com o elemento catalisador SCR 31 do sistema de gás de escape 29.

[0056] Uma segunda modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 3. Em contraste com a primeira modalidade mostrada na Figura 1, a segunda modalidade do dispositivo 1 possui um equipamento de transporte 43, por meio do qual o gás de combustão 4 armazenado em um tanque de combustível 25 pode ser transportado para o sistema de gás de escape 29 em uma região de introdução do gás de combustão 45 do sistema de gás de escape 29. A região de introdução do gás de combustão 45 do sistema de gás de escape 29, por exemplo, visto na direção do fluxo do gás de escape, é disposta entre o elemento catalisador de oxidação 41 e o elemento catalisador SCR 31. O equipamento de transporte 43 possui, por exemplo, uma linha de conexão 47, por meio da qual o tanque de combustível 25 e o sistema de gás de escape 29 são conectados um ao outro em termos de fluxo. Além disso, o equipamento de transporte 43 possui também, por exemplo, uma bomba 49, por meio da qual o gás de combustão 4 é transportado por meio da linha de conexão 47. A bomba 49 é regulada ou controlada, por exemplo, por meio de um equipamento de regulagem e/ou controle 51 do equipamento de transporte 43. Por meio do equipamento de transporte 43, o gás de combustão 4 é transportado, por exemplo, para o sistema de gás de escape 29, quando os hidrocarbonetos contidos no gás de escape 30 do motor a gás 3 não são suficientes para reduzir na medida necessária os óxidos de nitrogênio do gás de escape 30. Com isso, uma taxa elevada de conversão dos óxidos de nitrogênio contidos no gás de escape 30 é assegurada de forma fiável por meio do equipamento de transporte 30.

[0057] Como é ilustrado na Figura 3, a segunda modalidade do dispositivo 1, além disso, também possui um equipamento de recuperação de energia 53, por meio do qual a energia utilizável a partir da energia térmica do gás de escape 30 pode ser recuperada e/ou gerada. A recuperação de energia pode ocorrer, por exemplo, por meio de um processo termodinâmico de ciclo, por exemplo, por meio do processo de ciclo de Clausius-Rankine. O equipamento de recuperação de energia 53 possui um permutador de calor absorvedor de calor 55, por meio do qual a energia térmica do gás de escape 30 pode ser absorvida. O permutador de calor absorvedor de calor 55 é aqui disposto, por exemplo, visto na direção do fluxo do gás de escape, no ou sobre o sistema de gás de escape 29 a jusante da turbina do gás de escape 42 do turbocompressor de gás de escape 11.

[0058] Uma terceira modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 4. Em comparação com a primeira modalidade ilustrada na Figura 1, o catalisador de oxidação 41 é aqui disposto, visto na direção de fluxo do gás de escape, no ou sobre o sistema de gás de escape 29 a jusante do elemento catalisador SCR 31.

[0059] Uma quarta modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 5. Em comparação com a primeira modalidade mostrada na Figura 1, o elemento catalisador SCR 31 e o elemento catalisador de oxidação 41 estão aqui dispostos, visto na direção de fluxo do gás de escape, no ou sobre o sistema de gás de escape 29, a jusante da turbina de gás de escape 42 do turbocompressor de gás de escape 11.

[0060] Uma quinta modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 6. Em comparação com a segunda modalidade mostrada na Figura 3, a região de introdução do gás de combustão 45 do sistema de gás de escape 29 é aqui disposto, visto na direção de fluxo do gás de escape, entre o motor a gás 3 e o elemento catalisador de oxidação 41. Tal como indicado por linhas tracejadas na Figura 6, o gás de combustão 4 pode adicionalmente também ser introduzido no sistema de gás de escape 29, visto na direção de fluxo do gás de escape, entre o elemento catalisador de oxidação 41 e o elemento catalisador SCR 31 por meio do dispositivo de fornecimento 43.

[0061] Uma sexta modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 7. Em comparação com a quarta modalidade mostrada na Figura 5, o elemento catalisador de oxidação 41 é aqui disposto, visto na direção de fluxo do gás de escape, no ou sobre o sistema de gás de escape 29 a jusante do elemento catalisador SCR 31.

[0062] Uma sétima modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 8. Em comparação com a quarta modalidade mostrada na Figura 5, o dispositivo 1 possui aqui, adicionalmente, o equipamento de transporte 43. Neste caso, a título de exemplo, a região de introdução do gás de escape 45 é disposta, visto na direção de fluxo do gás de escape, entre a turbina de gás de escape 42 e o elemento catalisador de oxidação 41.

[0063] Uma oitava modalidade do dispositivo 1 é mostrada na Figura 9. Em comparação com a sétima modalidade mostrada na Figura 8, a região de introdução do gás de combustão 45 do sistema de gás de escape 29 é disposta, visto na direção de fluxo do gás de escape, entre o elemento catalisador de oxidação 41 e o elemento catalisador SCR 31. Como indicado por linhas tracejadas na Figura 9, o gás de combustão 4 poderia adicionalmente também ser introduzido, visto na direção de fluxo do gás de escape, no sistema de gás de escape 29 entre a turbina de gás de escape 42 e o elemento catalisador de oxidação 41 por meio do equipamento de transporte 43. Lista dos números de referência 1 Dispositivo 3 Motor a gás 4 Gás de combustão 5 Ar de combustão 6 Mistura gasosa de ar e gás de combustão 7 Coletor de admissão 9 Compressor 11 Turbocompressor de gás de escape 13 Sensor de pressão 15 Refrigerador de ar de alimentação 17 Sensor de pressão 19 Válvula de estrangulamento 21 Equipamento de mistura do ar de combustão e o gás de combustão 23 Linha de fornecimento 25 Tanque de combustível 27 Bomba 29 Sistema de gás de escape 30 Gás de escape 31 Elemento catalisador SCR 33 Substrato 35 Material catalisador 37 Componente de suporte 39 Componente ativo 41 Elemento catalisador de oxidação 42 Turbina de gás de escape 43 Equipamento de transporte 45 Região de introdução do gás de combustão 47 Linha de transporte 49 Bomba 51 Equipamento de regulagem e/ou controle 53 Equipamento de recuperação de energia 55 Permutador de calor absorvedor de calor

Claims

1. Método para a operação de um motor a gás com formação externa de mistura, em que um sistema de gás de escape (29) conectado ao motor a gás (3) é provido, através do qual circula o gás de escape (30) do motor a gás (3), em que o sistema de gás de escape possui pelo menos uma turbina de gás de escape de um turbocompressor, em que o motor a gás (3) é operado com uma mistura gasosa pobre de ar e gás de combustão (6), em que o motor a gás (3) é operado de acordo com um processo do ciclo de Miller, caracterizado pelo fato de que, o sistema de gás de escape (29) possui pelo menos um elemento catalisador SCR (31), por meio do qual os óxidos de nitrogênio (NOx) no gás de escape (30) que flui através do elemento catalisador SCR (31) são reduzidos com hidrocarbonetos (CyHz) como agente redutor, em que pelo menos uma parte do hidrocarboneto (CyHz) que flui através do elemento catalisador SCR (31) é um componente do gás de escape (30) do motor a gás (3), em que que o ponto de ignição do motor a gás (3) se situa em um intervalo de ângulo de manivela de 30° de ângulo de manivela antes do OT até 15° de ângulo de manivela antes do OT, e em que a sobreposição de válvula entre a pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás (3) e a pelo menos uma válvula de escape do motor a gás (3) possui um valor de sobreposição de válvula de 30° de ângulo de manivela a 50° de ângulo de manivela.

2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o motor a gás (3) é operado com uma mistura gasosa de ar e gás de combustão (6), a qual possui uma proporção de ar/gás de combustão (lambda) de 1,2 a 1,6.

3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o ponto de fechamento da pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás (3) se situa em um intervalo de ângulo de manivela de 45° de ângulo de manivela antes do UT até 20° de ângulo de manivela antes do UT.

4. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o motor a gás (3) é operado com um gás de combustão (4), o qual possui uma porcentagem de metano (CH4) maior do que 40% em volume, preferencialmente maior do que 60% em volume, particularmente preferencialmente maior do que 80% em volume, em que é provido, preferencialmente, que o gás de combustão (4) seja formado pelo menos parcialmente por gás natural e/ou por biogás.

5. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o sistema de gás de escape (29) possui pelo menos uma turbina de gás de escape (42) de um turbocompressor (11), em que é provido, preferencialmente, que o pelo menos um elemento catalisador SCR (31), visto na direção do fluxo do gás de escape, seja disposto sobre ou no sistema de gás de escape (29), a montante e/ou a jusante da turbina de gás de escape (42).

6. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é provido um equipamento de recuperação de energia (53), por meio do qual a energia utilizável a partir da energia térmica do gás de escape (30) pode ser recuperada e/ou gerada, em que o equipamento de recuperação de energia (53) possui pelo menos um permutador de calor absorvedor de calor (55), por meio do qual a energia térmica do gás de escape (30) pode ser absorvida, em que é provido, preferencialmente, que o pelo menos um permutador de calor absorvedor de calor (55), visto na direção do fluxo do gás de escape, seja disposto sobre ou no sistema de gás de escape (29), a jusante do elemento catalisador SCR (31).

7. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o sistema de gás de escape (29) possui pelo menos um elemento catalisador de oxidação (41), em que é provido, preferencialmente, que o pelo menos um elemento catalisador de oxidação (41), visto na direção do fluxo do gás de escape, seja disposto sobre ou no sistema de gás de escape (29), a montante e/ou a jusante do elemento catalisador SCR (31).

8. Método, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que o elemento catalisador SCR (31) e o elemento catalisador de oxidação (41) são formados por meio de um único elemento catalisador, em que é provido, preferencialmente, que um substrato do elemento catalisador seja revestido com um material catalisador, o qual possui tanto um efeito redutor de óxidos de nitrogênio, como também um efeito oxidante.

9. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que é provido um equipamento de transporte (43), por meio do qual o gás de combustão (4) armazenado em um tanque de combustível (25) é transportado para o sistema de gás de escape (29) em uma região de introdução do gás de combustão (45) do sistema de gás de escape (29), em que a região de introdução do gás de combustão (45), vista na direção do fluxo do gás de escape, é disposta no sistema de gás de escape (29), a jusante de uma região de introdução do gás de combustão, na qual o gás de escape (30) do motor a gás (3) se dirige ao sistema de gás de escape (29), e a montante do elemento catalisador SCR (31), em que é provido, preferencialmente, que um equipamento de regulagem e/ou controle (51) seja provido, por meio do qual a quantidade do gás de combustão (4) transportado por meio do equipamento de transporte (43) é regulada e/ou controlada.

10. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que o material catalisador (35) do elemento catalisador SCR (31) contém prata e/ou cobre e/ou platina e/ou índio e/ou CeO2 e/ou cobalto e/ou paládio como o componente ativo (39), e/ou que o material catalisador (35) do elemento catalisador SCR (31) contém Al2O3 e/ou TiO2 e/ou SiO2 e/ou ZrO2 como um componente de suporte (37).

11. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações anteriores, caracterizado pelo fato de que uma camada de material catalisador (35) do elemento catalisador SCR (31) é composta, pelo menos em certas áreas, por Ag-Al2O3, preferencialmente por Ag-Al2O3 contendo de 1 a 3% em peso de Ag, e/ou que uma camada de material catalisador (35) do elemento catalisador SCR (31) é composta, pelo menos em certas áreas, por Pt/In-ZSM-5 ou por CeO2-In-ZSM ou por Co-ZSM-5, e/ou que uma camada de material catalisador (35) do elemento catalisador SCR (31) é composta, pelo menos em certas áreas, por Cu-Al2O3, preferencialmente Cu-Al2O3 contendo de 6 a 10% em peso de Cu, e/ou que uma camada de material catalisador (35) do elemento catalisador SCR (31) contém, pelo menos em certas áreas, Pd-ZrO2, preferencialmente Pd-ZrO2 contendo de 0,1 a 0,5% em peso de Pd.

12. Dispositivo para a realização de um método conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores, com um motor a gás (3) com formação externa de mistura, com um sistema de gás de escape (29) conectado ao motor a gás (3), através do qual circula o gás de escape (30) do motor a gás (3), em que o sistema de gás de escape possui pelo menos uma turbina de gás de escape de um turbocompressor, em que o motor a gás (3) pode ser operado com uma mistura gasosa pobre de ar e gás de combustão (6), em que o motor a gás (3) pode ser operado de acordo com um processo do ciclo de Miller, caracterizado pelo fato de que o sistema de gás de escape (29) possui pelo menos um elemento catalisador SCR (31), por meio do qual óxidos de nitrogênio (NOx) do gás de escape (30) que flui através do elemento catalisador SCR (31) podem ser reduzidos com hidrocarbonetos (CyHz) como agente redutor, em que pelo menos uma parte do hidrocarboneto (CyHz) que flui pelo elemento catalisador SCR (31) é um componente do gás de escape (30) do motor a gás (3), em que a sobreposição de válvula entre a pelo menos uma válvula de admissão do motor a gás (3) e a pelo menos uma válvula de escape do motor a gás (3) possui um valor de sobreposição de válvula de 30° de ângulo de manivela a 50° de ângulo de manivela.

13. Central termoelétrica estacionária de geração de energia e/ou veículo, particularmente um veículo comercial, caracterizado por realizar um método conforme definido em qualquer uma das reivindicações anteriores 1 a 11 e/ou com um dispositivo conforme definido na reivindicação 12.