BR112012024840B1

BR112012024840B1 - conjunto para a redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos nos escapamentos de motores de combustão interna e método para redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos em escapamentos de motores de combustão interna movidos a combustíveis acionados por velas de ignição

Info

Publication number: BR112012024840B1
Application number: BR112012024840-5A
Authority: BR
Inventors: Joseph B. Gehret; Roberta A. Panora; Ranson Roser
Original assignee: Tecogen, Inc.
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2010-10-28
Publication date: 2021-01-26
Also published as: KR20130018862A; US20140196438A1; US8578704B2; KR101434373B1; JP6356281B2; NI201200158A; ES2754356T3; IL222598A0; CA2790314A1; CN103154451A; ZA201207726B; CA2790314C; US9121326B2; SG184348A1; JP2017122457A; AU2010352022A1; BR112012024840A2; JP2013534985A; US20110265451A1; CR20120533A

Abstract

CONJUNTO PARA A REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, . MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS NOS ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA E MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS EM ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA MOVIDOS A COMBUSTÍVEIS ACIONADOS POR VELAS DE IGNIÇÃO. Um conjunto e método para redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos em escapamentos de motores de combustão interna, em que a exaustão é processada em um conversor catalítico de primeiro estágio. Uma primeira parte da produção do conversor catalítico de primeiro estágio é resfriada e a segunda parte da produção do conversor catalítico não é resfriada. As , exaustões resfriada e não resfriada são unidas e direcionadas para um conversor catalítico de segundo estágio. O ar é injetado em uma exaustão selecionada (1) não resfriada antes de sua união com a exaustão resfriada, e (2) as exaustões resfriada e não resfriada combinadas após a união das mesmas.

Description

CONJUNTO PARA A REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS NOS ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA E MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS EM ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA MOVIDOS A COMBUSTÍVEIS ACIONADOS POR VELAS DE IGNIÇÃO

REFERÊNCIA AO PEDIDO RELACIONADO

Este pedido reivindica prioridade do Pedido de Patente Provisória norte-americana 61/343,392, depositada em 28 de abril de 2010, nos nomes de Joseph B. Gehret, Robert A. Panora e Ranson Roser.

HISTÓRICO DA INVENÇÃO Campo da Invenção

A presente invenção se refere ao tratamento de exaustões de motores de combustão interna, e mais particularmente à redução dos óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos prevalentes nas exaustões de motores de combustão interna, particularmente motores de combustão interna com combustíveis gasosos acionados por velas de ignição.

DESCRIÇÃO DA TÉCNICA ANTERIOR

Motores de combustão interna (IC) acionados por velas de ignição (SI) e operados com combustíveis gasosos produzem pequenas quantidades de compostos químicos indesejáveis na câmara de combustão, compostos que são exauridos do motor em altas temperaturas (800°-1250°F). Para combustíveis compostos primariamente de metano e outros hidrocarbonetos leves, os produtos químicos comumente regulados são óxidos de nitrogênio (NO, NO2, ou geralmente NOx) e monóxido de carbono (CO). Os óxidos de nitrogênio são formados quando o nitrogênio (N2) , um componente principal do ar, reage com o oxigênio (O2) , outro componente principal do ar, quando ambos são expostos a altas temperaturas e pressões em uma câmara de combustão de um motor. O monóxido de carbono, por outro lado, é a consequência da incapacidade do combustível em reagir completamente com o oxigênio, resultando na formação do dióxido de carbono (CO2). O CO e NOx são poluentes problemáticos, já que seus valores regulados são, em muitas regiões geográficas, estabelecidos no limite ou abaixo dos limites da atual tecnologia.

Nas regiões estritamente reguladas, a prática corrente para o controle das emissões dos motores SI/IC acionados por combustíveis ricos em metano (gás natural, biocombustíveis, gás de aterros, etc.), é a instalação de sistemas nos dutos de escapamento dos motores para eliminar, de acordo com o exigido pelos regulamentos, esses produtos químicos. Para motores menores (menos de 1000 bhp), o sistema comum de pós-tratamento é um catalisador de estágio único. Nesses pequenos motores, os produtos da combustão que saem do motor são forçados no interior de um monólito catalisador (estrutura em colmeia com revestimento de metal precioso), que facilita a desejável oxidação e as reações de redução:
NOx produz N2+O2
CO+O2 produz CO2

Os óxidos de nitrogênio são reduzidos em nitrogênio gasoso (N2) e oxigênio (O2) , ambos benignos, enquanto o monóxido de carbono (CO) é completamente oxidado, formando dióxido de carbono (CO2) , da mesma forma não perigoso e não regulado.

Os sistemas atuais de emissões baseados em catalisadores se apoiam no controle muito preciso dos parâmetros operacionais dos motores, de maneira a maximizar a eficiência da conversão das reações indicadas acima. Especificamente, a eliminação simultânea de NOx e CO por meio dessas reações em um conversor catalítico exige uma precisa janela de operação do processo de combustão do motor com relação à mistura de ar e combustível. Isto é mostrado na FIG. 1 no caso de um típico motor SI/IC. Como mostrado, as misturas ricas resultam em baixa emissão de NOx pelo catalisador, mas alto CO, enquanto misturas mais pobres resultam em baixo CO, mas alto NOx. Pela FIG. 1 fica evidente que a limpeza simultânea de NOx e de CO exige que a relação ar/combustível do motor (AFR) seja precisamente controlada na estreita região à volta da relação ar/combustível estequiométrica. A especificação de ambos os poluentes regulados somente pode ser mantida quando a estequiometria da combustão for mantida dentro dos pontos A e B da FIG. 1. A mistura aceitável de combustão, para a obtenção dos padrões estritos das crescentes emissões, exige que a relação ar/combustível do motor seja controlada dentro de estreitos limites.

Ainda com referência à FIG. 1, são mostradas as típicas emissões de motores como uma função de AFR de um motor SI/IC equipado com um catalisador simples ou múltiplo de três vias (TWC). A observação dos limites regulados de CO e NOx exige que o motor AFR seja mantido entre os pontos A e B da FIG. 1, uma banda que represente aproximadamente o AFR estequiométrico.

Motores estacionários SI/IC que operam na maior parte das aplicações nos Estados Unidos e demais locais são altamente regulados em relação às emissões admissíveis de CO e NOx, que estão ficando crescentemente controladas. De maneira mais notável, a California Air Resource Board (CARB) agora recomenda limites de 0,07 lb/MWh e 0,1 lb/MWh CO como parte de seu padrão 2007 nas aplicações de Calor e Potência Combinados (CHP). A aplicação de um crédito de recuperação de calor para a manutenção de um mínimo de 60% de eficiência total do sistema e supondo uma eficiência elétrica de 27%, os limites de emissões declarados em termos de concentração real no gás de exaustão são de 3,7PPM NOx e 8,9 PPM CO. Como usado na presente, "PPM" significa partes por milhão por volume corrigido para um fator padrão de diluição de ar (15% oxigênio equivalente) . A área da Califórnia da Sul sob a jurisdição do South Coast Air Quality Management District (SCAQMD) adotou o padrão "CARB 2007" para NOx, enquanto restringe as emissões de CO a um valor próximo ao limite de CARB. Outras regiões da Califórnia também estão adotando padrões similares, enquanto outras regiões do país estão dividindo-se em regulamentos que abordam os padrões CARB 2007 (MA, NY, e NJ, por exemplo).

A conformidade com os mais novos padrões exige uma eficiência de conversão extremamente alta no catalisador, tanto para CO como para NOx. São necessários monólitos de conversão muito grandes, além da extrema precisão no controle da mistura ar/combustível.

A FIG. 2 mostra a precisão de controle AFR em estado constante necessária para um motor padrão (modelo TecoDrive 7400) que usa um sistema TWC dimensionado para obedecer à CARB 2007, como indicado por um milivoltmetro do sensor de oxigênio do gás de exaustão aquecido de banda estreita do pré-catalisador (mV), produção que o controlador AFR mantém por meio do controle AFR de estado constante (antirruído). Como mostrado na FIG. 2 a mistura de combustão do motor (relação ar/combustível) é aceitável para o desempenho do catalisador nos limites regulados somente quando o sinal de um sensor lambda padrão no duto de exaustão for mantido entre 680 e 694 mV. Acima dessa faixa, a concentração de CO que sai do catalisador ultrapassa o limite SCAQMD de 8,9 PPM, enquanto abaixo dessa faixa o NOx rapidamente ultrapassa o limite de 3,7 PPM. Os limites mostrados na FIG. 2 são os da CARB 2007 com um crédito para a recuperação de calor do motor, de maneira que 60% da quantidade de calor do combustível é usada efetivamente como energia elétrica ou como energia térmica recuperada. Para manter a conformidade, a mistura de combustão ar/combustível deve ser mantida dentro da janela de 14 mV para o exemplo mostrado.

Um possível método para a expansão da janela de controle para que a operação do motor tenha emissões aceitáveis tanto de CO como de NOx é modificar o sistema de maneira que sejam usados dois estágios dos sistemas catalisadores, cada qual operando em diferentes e distintas atmosferas químicas. Os sistemas catalisadores anteriores usavam comumente um projeto de dois estágios com injeção de ar interestágios. Nessa época, eram empregados na oxidação ou redução de monólitos catalisadores de propósito único, mas não ambos. Depois, foram desenvolvidos os catalisadores de estágio simples multipropósitos (TWC), tornando-se o estilo dominante. Os sistemas anteriores de dois estágios foram empregados em motores SI/IC estacionários com combustíveis gasosos com sucesso, mas de acordo com padrões bem menos exigentes. Presume-se que os problemas de reforma de NOx encontrados com os sistemas de dois estágios existiram anteriormente, mas não tinham consequências com relação aos limites regulados na ocasião.

A FIG. 3 mostra a montagem supramencionada. Como mostrado, são chumbados dois estágios de catalisadores em um sistema de exaustão em série. O ar é bombeado no fluxo do exaustor entre os estágios um (CAT 1) e o estágio 2 (CAT 2) e bem misturado. A relação ar/combustível do motor é conservada, de maneira a facilitar a efetiva remoção do NOx no primeiro estágio. O ar injetado na exaustão produz um ambiente oxidante no segundo estágio do catalisador tendendo para a oxidação do CO em CO2, mesmo que o motor AFR esteja fora da janela de operação aceitável no lado rico, um benefício altamente significativo.

Testes que utilizam o sistema de dois estágios demonstraram que a estratégia de dois estágios com injeção de ar não era somente eficaz, mas na verdade era prejudicial ao desempenho do catalisador. As emissões de NOx do sistema de dois estágios foram geralmente maiores que no sistema de um estágio de tamanho comparável e carregamento de material catalisador. Este resultado surpreendente indicou que existe um mecanismo, de maneira que o NOx é formado no segundo estágio, tornado possível pelo ambiente rico em oxigênio, acoplado também a condições condutivas para a reação química, isto é, alta temperatura e uma abundância de material catalítico.

Portanto, um objetivo da invenção é prover conjuntos e métodos para a remoção consistente e confiável dos óxidos de nitrogênio e do monóxido de carbono dos escapamentos de motores de combustão interna com combustíveis gasosos e acionados por velas de ignição.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Com os objetivos acima e demais objetivos em vista, uma característica da invenção é a provisão de conjuntos e métodos para a efetiva redução dos óxidos de nitrogênio, do monóxido de carbono e de hidrocarbonetos em escapamentos de motores de combustão interna com combustíveis gasosos e acionados por velas de ignição, presentes os gases que entram em um segundo estágio de conversor catalítico em menor temperatura.

De acordo com a invenção, os gases que entram no Segundo estágio do conversor catalítico são resfriados imediatamente após o estágio um, a partir de temperaturas extremamente altas que normalmente saem do motor (800°-1250°F) para um menor valor. Uma temperatura intermediária, ou faixa de temperaturas, proporciona reações químicas desejáveis (remoção de CO e de hidrocarbonetos), sendo altamente favorecidas com relação àquelas indesejáveis devido à formação de NOx. Esta é uma abordagem particularmente viável na combinação de aplicações de calor e potência (CHP), , já que os gases são resfriados em um processo de restituição de calor. Esta realização em uma aplicação CHP exige não somente que (1) o estágio de resfriamento seja reorientado para resfriar entre estágios, e (2) a efetividade do resfriamento seja alterada para ficar em uma faixa favorável de temperatura.

As características acima e demais características da invenção, incluindo vários novos detalhes de construção e de combinações de peças e etapas do método serão agora descritas mais particularmente com referência aos desenhos de acompanhamento e indicadas nas reivindicações. Será entendido que os conjuntos e métodos particulares que incorporam a invenção são mostrados somente como ilustrações e não como limitações da invenção. Os princípios e as características desta invenção podem ser empregados em várias e numerosas realizações sem abandonar o escopo da invenção.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

É feita referência aos desenhos de acompanhamento, em que são mostradas realizações ilustrativas da invenção, através das quais suas novas características e vantagens ficarão aparentes.
Nos desenhos:
A FIG. 1 é uma tabela que mostra as relações da técnica anterior entre os óxidos de nitrogênio e o monóxido de carbono presentes nos gases de exaustão do motor, dentro e além das faixas aceitáveis, dada uma relação ar/combustível precisamente controlada;
A FIG. 2 é uma tabela que ilustra a precisão do controle da relação ar/combustível de estado fixo da técnica anterior para um motor padrão, usando um catalisador de três vias;
A FIG. 3 é uma exibição em diagrama de um sistema catalisador de dois estágios da técnica anterior com injeção de ar interestágios;
A FIG. 4 é uma exibição em diagrama de um conjunto e método para redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos no escapamento de um motor, de acordo com uma realização da invenção;
A FIG. 4A é uma exibição em diagrama de um conjunto alternativo;
A FIG. 5 é uma tabela que ilustra os resultados do Teste 1 descrito abaixo;
A FIG. 6 é uma tabela similar à da FIG. 5, mas ilustrando as reduções marcadamente diferentes e muito aperfeiçoadas dos óxidos de nitrogênio e do monóxido de carbono em uso no conjunto da FIG. 4 ;
A FIG. 7 é uma tabela mostrando que mesmo com um mau ajuste do controlador da relação ar/combustível, os conjuntos e métodos do invento proporcionam menos emissões e maior tolerância para as variações nas relações ar/combustível dos motores;
A FIG . 8 é uma exibição em diagrama de outro conjunto e método para a redução das emissões dos óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos nos motores de combustão interna; e
A FIG . 8A é uma exibição em diagrama de ainda outro conjunto alternativo.

DESCRIÇÃO DAS REALIZAÇÕES PREFERIDAS

Foi feito o teste de um sistema de dois estágios com resfriamento interestágios usando um equipamento mostrado na FIG. 4. Como mostrado na FIG.4, os gases de escapamento do motor saem de um motor 20 e são canalizados por um conduto de gases de exaustão 22 para um primeiro estágio de um conversor catalítico 24 tendo pelo menos um, e preferivelmente dois conversores catalíticos, Cat la e Cat lb. São preferidos dois elementos catalíticos ao invés de um, para a obtenção de alto desempenho no primeiro estágio 24 com relação à remoção de NOx. Um único elemento de conversor catalítico funciona bem para o sistema revelado, com um leve desempenho comprometido do primeiro estágio 24.

Os gases de combustão do motor 20 entram no primeiro estágio 24 em uma temperatura normal de exaustão do motor (aproximadamente 1200°F), após o que a vazão da exaustão é dividida em dois fluxos 26, 28. Um fluxo 26 é resfriador a aproximadamente 280°F quando passa pelo meio de resfriamento 30, ou através de um conduto submetido a um meio de resfriamento injetado adaptado para vaporizar e substancialmente reduzir a temperatura do fluxo. O outro fluxo 28 é desviado as espirais de resfriamento 30, sendo injetado com uma quantidade controlada de ar de um injetor de ar 32. Os dois fluxos 26, 28 se reúnem na união 34, sendo então conduzidos para um segundo estágio catalítico (Cat. 2) 46. O resfriamento do gás de exaustão pode ser ajustado por uma válvula para o ajuste de temperatura 36.

Foram feitos três testes com este equipamento que demonstram a invenção revelada, sendo os testes resumidos abaixo.

Teste I.

Em um primeiro experimento, o motor 20 foi operado em alta potência (156 bhp e 2500 rpm) e acionado por gás natural. A válvula para o ajuste de temperatura 36 foi ajustada de maneira que a maior parte dos gases fosse desviada nas espirais de resfriamento 30. na operação do motor em estado fixo, e com o motor AFR fixo em uma condição que favoreça a redução NOx nos catalisadores do Estágio 124, foi iniciado o experimento resumido na FIG. 5.

Durante os primeiros 200 segundos e sem ar de injeção interestágios, foram medidas as concentrações de NOx, CO, e O2 no sistema de exaustão, assim como a temperatura de exaustão interestágios ("Tmix") na porta Si (FIG. 4) . Nesse período de tempo, e com a amostragem em S1, as emissões de NOx estiveram bem abaixo do limite de conformidade, enquanto os valores de CO não estiveram em conformidade. Além disso, a temperatura de exaustão interestágios foi alta, como esperado (aproximadamente 800°F), enquanto a concentração de O2 esteve bem próxima de zero, indicativo de operação quase estequiométrica. Aos 200 segundos e na preparação do início da injeção de ar, a porta de amostragem foi movida para S2 (FIG. 4) , imediatamente após o segundo estágio (Cat 2). Como esperado, as concentrações de CO e NOx medidas após o segundo estágio estiveram modestamente abaixo com o benefício do elemento catalisador adicional.

Aos 520 segundos foi iniciada a injeção de ar interestágios, como claramente indicado na FIG. 5 pela alteração da etapa na concentração de O2 na porta S2 . O CO imediatamente caiu para próximo de zero, mas os níveis de NOx aumentaram rapidamente, demonstrando o resultado desapontador obtido no passado sem o benefício dessa invenção.

Enquanto a injeção de ar era aumentada em etapas de 800, 1100, e 1400 segundos, o NOx melhorava um pouco, mas permanecia altamente não conforme. Aos 1660 segundos, foi feita uma mudança na combustão do motor para um valor mais rico, que somente piorou as emissões de NOx.

Aos 1950 segundos, a injeção de ar foi interrompida, retornando essencialmente o processo para um estágio único. Nesse segmento final de tempo, operando como um sistema único com AFR rico, foi medida a concentração de NOx como sendo baixa, enquanto o CO foi determinado como alto, o resultado esperado (ver FIG. 1).

Teste 2.

Em um segundo experimento, foi repetido o Teste 1, mas com o resfriamento interestágios aumentado para a obtenção de menores valores "Tmix" (faixa de 400°F) . Os resultados, mostrados na FIG. 6, foram marcadamente diferentes. Quando a injeção de ar começou em 550 segundos, a concentração de NOx foi reduzida de 0,5 PPM para aproximadamente a metade do valor, enquanto o CO também foi reduzido para concentrações bem abaixo dos limites de conformidade. Os testes de conformidade se baseiam na data do tempo médio tomado em grandes intervalos com picos de curta duração, como os vistos no Teste 2 (FIG. 6), e que são admissíveis enquanto não forem excessivos.

A injeção de ar, que teve efeito substancialmente negativo nas emissões na maior temperatura, foi altamente efetiva para o aperfeiçoamento do processo quando foi aumentado substancialmente o resfriamento interestágios. É importante que a redução de NOx não tenha sido antecipada, sendo um benefício muito significativo do processo.

Teste 3.

Em um terceiro teste, o sistema foi primeiro ajustado para uma condição de estado fixo que proporcionou um desempenho próximo ao ideal, isto é, um resfriamento interestágios de aproximadamente 520°F com injeção de ar igual a aproximadamente 1% do ar de combustão primária. Depois, um controlador da relação ar/combustível do motor foi ajustado em etapas em alternados pontos de operação de estado fixo, tanto mais ricos como mais pobres, para determinar a tolerância do processo ao mau ajustamento. Os resultados, mostrados na FIG. 7, indicam que o processo esteve em conformidade com sucesso com as leituras do sensor lambda de 660 mV a mais de 692 mV, essencialmente o duplo da janela de conformidade do sistema de catalisador de estágio único.

Portanto, o novo conjunto e método proporcionam tanto menores emissões e maior tolerância para variações em motores com relação ar/combustível em estado fixo (antirruído). O mesmo fenômeno e conclusões se aplicam às estratégias de excitação do controle de combustível, mas com aumentos na janela de conformidade AFR, medida pelos sensores de oxigênio pós-catalisador ou sensores lambda.

É assim provido pela presente invenção um conjunto 10, mostrado na FIG. 4, para a redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos em escapamentos de motores de combustão interna. O conjunto compreende um primeiro conduto de exaustão 22 tendo uma extremidade receptora de exaustão para conexão e para o prolongamento de um motor de combustão interna 20, um meio conversor catalítico de primeiro estágio 24 em comunicação com uma extremidade de descarte do primeiro conduto de exaustão 22, meios de resfriamento, como espirais de resfriamento 30, dispostos no meio conversor catalítico de primeiro estágio 24 para o resfriamento de uma primeira parte do escapamento do motor recebido do primeiro conduto de exaustão 22.

O conjunto ainda inclui um primeiro conduto de saída 27 para facilitar o movimento de um primeiro fluxo da parte resfriada 26 do escapamento do motor do meio conversor catalítico de primeiro estágio 24, um segundo conduto de saída 29 para facilitar o movimento do segundo fluxo 28 do escapamento do motor recebido do meio conversor catalítico de primeiro estágio 24, um conduto para a injeção de ar 37 que recebe ar do injetor de ar 32, estando em comunicação com o segundo conduto de saída 29 para o resfriamento da segunda parte do escapamento do motor, um segundo conduto de gás de exaustão 33 em comunicação com o primeiro conduto de saída 27 e o conduto para a injeção de ar 37, e um conversor catalítico de segundo estágio 46 em comunicação com o segundo conduto de gás de exaustão 33 e tendo uma saída para emissão da exaustão 48. O primeiro conduto de saída 27 pode ser dotado opcionalmente de uma válvula para o ajuste de temperatura 36.

Na operação do conjunto da FIG. 4, os gases de exaustão do motor 20 passam pelo primeiro conduto de exaustão 22 para o meio conversor catalítico de primeiro estágio 24 em que uma parte 26 da exaustão é resfriada e passada para o primeiro conduto de saída 27. A segunda parte 28 da exaustão não é substancialmente resfriada, sendo passada para o segundo conduto de saída 29.

O injetor de ar 32 injeta ar no segundo conduto de saída 29. O gás quente de exaustão do segundo fluxo de exaustão 28 e o ar injetado prosseguem pelo conduto de a injeção de ar 37 e se unem ao fluxo resfriado 26 do gás de exaustão, prosseguindo para o segundo estágio do conversor catalítico 46, saindo pela saída 48.

É ainda provida uma realização alternativa 15 do conjunto para a redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos em escapamentos de motores de combustão interna, o conjunto alternativo 15 sendo mostrado na FIG. 8 e compreendendo um primeiro conduto de exaustão 50, tendo uma extremidade receptora de exaustão 52 conectada e prolongando-se do motor de combustão interna 20, um meio conversor catalítico de primeiro estágio 54 em comunicação com uma extremidade de descarte 56 do primeiro conduto de exaustão 50, o meio de resfriamento 58 em comunicação com o meio conversor catalítico de primeiro estágio 54 para o resfriamento de uma primeira parte 60 do escapamento do motor recebido do meio conversor catalítico de primeiro estágio 54, e um conduto 62 para a exaustão resfriada, o conduto 62 prolongando-se a partir do meio de resfriamento 58.

O conjunto 15 ainda inclui um meio de resfriamento de desvio 64 em comunicação com a saída do meio conversor catalítico de primeiro estágio 54 e o conduto 62 para a exaustão resfriada.

Um meio conversor catalítico de segundo estágio 66 está em comunicação com o conduto de exaustão resfriado 62 e o conduto de desvio do meio de resfriamento 64. Um conduto para a injeção de ar 68 está em comunicação com o conduto de exaustão resfriado 62. Uma saída de exaustão 70 prolonga-se a partir do meio conversor catalítico de segundo estágio 66.

Na operação do conjunto da FIG. 8, os gases de exaustão do motor 20 fluem para o conversor catalítico de primeiro estágio 54. Uma primeira parte da exaustão que sai do primeiro estágio do conversor catalítico 54 é direcionada para o meio de resfriamento 58. A segunda parte da exaustão que sai do primeiro estágio do conversor catalítico 54 entra em um conduto de desvio do meio de resfriamento 64 que une o conduto das exaustões resfriadas 62 saindo do meio de resfriamento 58. A exaustão combinada do meio de resfriamento 58 e do conduto de desvio 64 combinam, na válvula de mistura 72, sendo submetidas a uma injeção de ar do injetor de ar 32, e direcionadas para o meio conversor catalítico de segundo estágio 66, do qual a exaustão prossegue pela saída 70 com os óxidos de nitrogênio e monóxido de carbono extremamente reduzidos.

Ainda é provido com o conjunto 10, mostrado na FIG. 4, um método para redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos de escapamentos de motores de combustão interna. O método compreende as etapas de levar a exaustão do motor para um conversor catalítico de primeiro estágio 24, resfriar uma primeira parte da exaustão do motor no conversor catalítico de primeiro estágio 24 e remover a primeira parte resfriada do conversor catalítico por um primeiro conduto de saída de gases 27, removendo a parte não resfriada da exaustão do motor do conversor catalítico 24 por meio de um segundo conduto de saída do gás de exaustão 29, injetando ar no segundo conduto de saída 29, levando a segunda parte não resfriada da exaustão do motor e o ar injetado pelo conduto de injeção de ar 37 para o primeiro conduto de saída de exaustão de gás 27 se unir com a primeira parte resfriada da exaustão do motor no conduto de injeção de ar 37.

O método ainda compreende direcionar a exaustão no conduto de gases de exaustão 33 para um conversor catalítico de segundo estágio 46, e descarregar a exaustão do conversor catalítico de segundo estágio 46, dotando o escapamento do motor com menos óxidos de nitrogênio e menos teor de monóxido de carbono.

Ainda é provido com o conjunto 15, mostrado na FIG. 8, um método para a redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos de escapamentos de motores de combustão interna.

O método compreende as etapas de conduzir o escapamento do motor para um conversor catalítico de primeiro estágio 54 e levar a exaustão do motor do conversor catalítico de primeiro estágio 54 e em parte para um meio de resfriamento 58 e em parte para um meio de resfriamento de desvio 64, e misturar os escapamentos do meio de resfriamento 58 e o meio de resfriamento de desvio 64 em um conduto de exaustão resfriado 62, injetando ar por um conduto para a injeção de ar 68 no conduto de exaustão resfriado 62, e direcionar a exaustão do meio de resfriamento 58, e do meio de resfriamento de desvio 64, e do conduto de ar injetado 68, para um conversor catalítico de segundo estágio 66, e descarregar por uma saída 70 o escapamento do motor assim tratado, dotando o escapamento do motor com menos óxidos de nitrogênio e menos teor de monóxido de carbono.

De acordo com ainda outra característica da invenção, é provido um método para redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos em escapamentos de motores de combustão interna movidos a combustíveis acionados por velas de ignição. O método compreende as etapas de direcionar as exaustões de um motor 20 para um conversor catalítico de primeiro estágio 24, 54, direcionar uma primeira parte da saída do escapamento do conversor catalítico de primeiro estágio 24, 54 para um meio de resfriamento 30, 58 e então para um conduto de exaustão resfriado 26, 62, direcionando a segunda parte da saída do escapamento do conversor catalítico de primeiro estágio 24, 54 para um conduto de gás de exaustão não resfriado 28, 64, unindo a primeira e a segunda partes do gás de exaustão e direcionando a primeira e a segunda partes unidas para um segundo conversor catalítico 46, 66 e injetando ar em um selecionado (1) conduto de exaustão não resfriado 29 e (2) os condutos de exaustão não resfriado e resfriado após a união dos mesmos.

Em uma realização alternativa 16 do sistema da FIG. 4, para ser usado em situações em que a carga seja constante e o líquido usado para o resfriamento seja mantido em uma taxa constante, a realização da FIG. 4A pode ser provida e operada sem o conduto de saída de exaustão de gás quente 29 e um conduto de injeção 37 mostrado na FIG. 4.

De forma similar, uma realização alternativa 18 (FIG. 8A) pode efetuar a desejada redução das emissões em um sistema mantido com carga constante e taxa constante, em que o desvio de exaustão 64 e a válvula de mistura 72 sejam omitidos do conjunto, como ilustrado na FIG. 8A.

Assim, a realização alternativa do conjunto da FIG. 4, mostrada na FIG. 4A, compreende o conduto de exaustão 22, o meio de resfriamento 30 da construção de vaporização, o conduto de saída 27, o conduto de gases de exaustão 33, o injetor de ar 32 disposto para injetar ar no conduto de gases de exaustão 33, e o meio conector catalítico de segundo estágio 46 e sua saída 48.

O método para redução dos óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos na exaustão dos motores de combustão interna que usam o conjunto mostrado na FIG. 4A compreende as etapas de direcionar a exaustão do motor de combustão interna para um meio conversor catalítico de primeiro estágio, resfriar com água as exaustões do meio conversor catalítico e direcionar as exaustões resfriadas para um meio conversor catalítico de segundo estágio, injetar ar nas exaustões resfriadas, direcionar as exaustões resfriadas a ar no segundo meio conversor catalítico, e descarregar daí as exaustões.

A realização alternativa da FIG. 8A compreende o mesmo conjunto que o mostrado na FIG. 8, mas sem o desvio de exaustão 64 e a válvula de mistura 72. Isto é, o conjunto compreende um conduto de exaustão 52, um meio conector catalítico de primeiro estágio 54 em comunicação com um meio de resfriamento, o meio de resfriamento 58 tendo espirais ou um conjunto de vaporização de resfriamento. O conjunto ainda inclui meios de injeção de ar 32 para injetar ar em uma linha de saída 62 do meio de resfriamento 58, e um meio conversor catalítico de segundo estágio 66 com uma saída 70 para as exaustões tratadas.

O método para redução de óxidos de nitrogênio, monóxido de carbono e hidrocarbonetos em exaustões de motores de combustão interna que usam o conjunto mostrado na FIG. 8A, compreende as etapas de direcionamento das exaustões do motor de combustão interna para o primeiro meio de conversor catalítico, resfriando as exaustões do primeiro conversor catalítico, injetando ar nas exaustões resfriadas, direcionando as exaustões resfriadas para um meio conector catalítico de segundo estágio, e descarregando as exaustões do segundo meio conversor catalítico.

Deve ser entendido que a presente invenção não se limita de forma alguma a etapas determinadas de construções e métodos reveladas na presente e/ou mostradas nos desenhos, mas também compreende todas as modificações ou equivalentes situadas no escopo das reivindicações.

Claims

CONJUNTO PARA A REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS NOS ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o conjunto caracterizado por compreender:
um primeiro conduto de exaustão tendo uma extremidade receptora de exaustão conectada a e prolongando-se de um motor de combustão interna;
um conversor catalítico de primeiro estágio conectado a uma extremidade de descarte do dito primeiro conduto de exaustão;
meio de resfriamento disposto no dito meio conversor catalítico de primeiro estágio para o resfriamento de uma primeira parte do escapamento do motor recebido de uma saída do dito conversor catalítico de primeiro estágio;
um primeiro conduto de saída para facilitar o movimento da primeira parte do escapamento do motor resfriada pelo meio de resfriamento;
um segundo conduto de saída para passar uma segunda parte do escapamento do motor recebido da saída do dito meio conversor catalítico de primeiro estágio;
um conduto para a injeção de ar acoplado ao dito segundo conduto de saída para o resfriamento da segunda parte do escapamento do motor;
um segundo conduto de gás de exaustão acoplado a uma saída do dito primeiro conduto de saída e uma saída do dito segundo conduto de saída; e
um conversor catalítico de segundo estágio acoplado a uma saída do dito segundo conduto de gás de exaustão e tendo uma saída para emissão da exaustão.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito meio conversor catalítico de primeiro estágio compreender uma pluralidade de conversores catalíticos.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito meio para resfriamento compreender espirais para um meio de resfriamento.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito meio para resfriamento compreender meios para a injeção do meio de resfriamento, o meio de resfriamento sendo adaptado para vaporizar de maneira a reduzir a temperatura da primeira parte do escapamento do motor.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelas ditas espirais serem adaptadas para reduzir a temperatura da dita primeira parte do dito escapamento do motor para cerca de 280°F.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo dito primeiro conduto de saída ser dotado de uma válvula para o ajuste de temperatura.
CONJUNTO PARA A REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS NOS ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o conjunto caracterizado por compreender:
um primeiro conduto de exaustão tendo uma extremidade receptora de exaustão conectada a e prolongando-se de um motor de combustão interna;
um conversor catalítico de primeiro estágio conectado a uma extremidade de descarte do dito primeiro conduto de exaustão;
meio de resfriamento para o resfriamento de uma primeira parte do escapamento do motor recebido do dito meio conversor catalítico de primeiro estágio;
um conduto de exaustão resfriado que se prolonga do dito meio de resfriamento;
um conduto de desvio do meio de resfriamento acoplado a uma saída do dito conversor catalítico de primeiro estágio;
um conversor catalítico de segundo estágio acoplado a uma saída do dito conduto de exaustão resfriado e uma saída do dito conduto de desvio do meio de resfriamento;
um conduto para a injeção de ar acoplado ao dito conduto de exaustão resfriado; e
uma saída de exaustão que se prolonga do dito conversor catalítico de segundo estágio.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo dito meio conversor catalítico de primeiro estágio compreender uma pluralidade de conversores catalíticos .
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo dito meio de resfriamento compreender espirais para o meio de resfriamento.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo dito meio de resfriamento compreender meios para a injeção do meio de resfriamento, o meio de resfriamento sendo adaptado para vaporizar de maneira a reduzir a temperatura da primeira parte do escapamento do motor.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 7, caracterizado por compreender adicionalmente uma válvula de mistura montada próxima à união do dito conduto de exaustão resfriado e dito conduto de desvio.
MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS EM ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA MOVIDOS A COMBUSTÍVEIS ACIONADOS POR VELAS DE IGNIÇÃO, o método caracterizado por compreender as etapas de:
direcionamento do escapamento do motor para um conversor catalítico de primeiro estágio;
direcionamento de uma primeira parte da saída do escapamento do conversor catalítico de primeiro estágio para um meio de resfriamento e então para um conduto de exaustão resfriado;
direcionamento de uma segunda parte da saída do escapamento do conversor catalítico de primeiro estágio para um conduto de gás de exaustão não resfriado;
unir a primeira e a segunda partes do gás de exaustão e direcionar a primeira e a segunda partes unidas para um segundo conversor catalítico; e
injetar ar em um selecionado dentre (1) o conduto de exaustão não resfriado, ou (2) os escapamentos resfriado e não resfriado unidos após a união dos mesmos.
MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS DE ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o método caracterizado por compreender as etapas de:
levar o escapamento do motor para um meio conversor catalítico de primeiro estágio,
resfriar uma primeira parte da exaustão do motor no meio conversor catalítico de primeiro estágio e remover a primeira parte resfriada do meio conversor catalítico por um primeiro conduto de saída;
remover uma segunda parte não resfriada da exaustão do motor do meio conversor catalítico por meio de um segundo conduto de saída;
injetar ar no segundo conduto de saída;
levar a segunda parte não resfriada da exaustão do motor e o ar injetado para o segundo conduto de saída do gás de exaustão para unir com a primeira parte resfriada da exaustão do motor no segundo conduto de saída do gás de exaustão;
direcionar a exaustão no segundo conduto de saída do gás de exaustão para um conversor catalítico de segundo estágio;
e descarregar a exaustão do conversor catalítico de segundo estágio;
e assim dotar o escapamento do motor de menos óxidos de nitrogênio e menos monóxido de carbono.
MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS DE ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o método caracterizado por compreender as etapas de:
levar a exaustão do motor para um conversor catalítico de primeiro estágio;
levar a exaustão do motor do conversor catalítico de primeiro estágio em parte para um meio de resfriamento e em parte para um desvio do meio de resfriamento;
misturar os escapamentos do meio de resfriamento e do meio de resfriamento de desvio em um conduto de exaustão resfriado;
injetar ar no conduto de exaustão resfriado;
direcionar os escapamentos do meio de resfriamento, e do meio de resfriamento de desvio, e o ar injetado, para um conversor catalítico de segundo estágio; e
descarregar o escapamento do motor do conversor catalítico de segundo estágio;
e assim dotar o escapamento do motor de menos óxidos de nitrogênio e menos monóxido de carbono.
CONJUNTO PARA A REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS EM ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o conjunto caracterizado por compreender:
um primeiro conduto de exaustão tendo uma extremidade receptora de exaustão para conectada a e prolongando-se de um motor de combustão interna;
um meio conversor catalítico de primeiro estágio acoplado a uma extremidade de descarte do dito primeiro conduto de exaustão;
um conduto de saída para facilitar o movimento do escapamento do motor do dito meio conversor catalítico de primeiro estágio;
meio de resfriamento para o resfriamento do escapamento do motor no dito conduto de saída;
um conduto para a injeção de ar acoplado a uma saída do dito conduto de saída para o resfriamento do escapamento do motor; e
um conversor catalítico de segundo estágio acoplado a uma saída do dito conduto de saída e tendo uma saída para emissão da exaustão.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dito meio conversor catalítico de primeiro estágio compreender uma pluralidade de conversores catalíticos .
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dito meio para resfriamento compreender espirais para o meio de resfriamento.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo dito meio para resfriamento compreender meios para a injeção do meio de resfriamento, o meio de resfriamento sendo adaptado para vaporizar de maneira a reduzir a temperatura do escapamento do motor dentro do dito conduto de saída.
CONJUNTO PARA A REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS EM ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o conjunto caracterizado por compreender:
um primeiro conduto de exaustão tendo uma extremidade receptora de exaustão conectada a e prolongando-se de um motor de combustão interna;
um meio conversor catalítico de primeiro estágio acoplado a uma extremidade de descarte do dito primeiro conduto de exaustão;
meio de resfriamento para o resfriamento do escapamento do motor recebido do dito meio conversor catalítico de primeiro estágio;
um conduto de exaustão resfriado que se prolonga do dito meio de resfriamento;
um conduto para a injeção de ar acoplado ao dito conduto de exaustão resfriado; e
um conversor catalítico de segundo estágio acoplado a uma saída do dito conduto de exaustão resfriado; e
uma saída de exaustão que se prolonga do dito conversor catalítico de segundo estágio.
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo dito meio conversor catalítico de primeiro estágio compreender uma pluralidade de conversores catalíticos .
CONJUNTO, de acordo com a reivindicação 19, caracterizado pelo dito meio de resfriamento compreender meios para a injeção do meio de resfriamento, o meio de resfriamento sendo adaptado para vaporizar de maneira a reduzir a temperatura do escapamento do motor.
MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS DE ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o método caracterizado por compreender as etapas de:
levar a exaustão do motor para um meio conversor catalítico de primeiro estágio;
remover as exaustões do meio conversor catalítico por meio de um conduto de saída;
resfriar o escapamento do motor no conduto de saída;
injetar ar no conduto de saída;
direcionar a exaustão no conduto de saída para um conversor catalítico de segundo estágio; e
descarregar a exaustão do conversor catalítico de segundo estágio;
e assim dotar o escapamento do motor de menos óxidos de nitrogênio e menos monóxido de carbono.
MÉTODO PARA REDUÇÃO DE ÓXIDOS DE NITROGÊNIO, MONÓXIDO DE CARBONO E HIDROCARBONETOS DE ESCAPAMENTOS DE MOTORES DE COMBUSTÃO INTERNA, o método caracterizado por compreender as etapas de:
levar a exaustão do motor para um conversor catalítico de primeiro estágio;
levar a exaustão do motor do conversor catalítico de primeiro estágio para um meio de resfriamento;
direcionar as exaustões do meio de resfriamento para um conduto de exaustão resfriado;
injetar ar no conduto de exaustão resfriado;
direcionar os escapamentos do meio de resfriamento, e o ar injetado, para um conversor catalítico de segundo estágio; e
descarregar o escapamento do motor do conversor catalítico de segundo estágio;
e assim dotar o escapamento do motor de menos óxidos de nitrogênio e menos monóxido de carbono