BR112013000067B1 - Sistema de pós-tratamento de motor a diesel e de exaustão e método de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel - Google Patents

Sistema de pós-tratamento de motor a diesel e de exaustão e método de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel Download PDF

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Abstract

MOTOR A DIESEL E SISTEMA DE PÓS-TRATAMENTO DE EXAUSTÃO E MÉTODO DE TRATAMENTO DE GASES DE EXAUSTÃO A PARTIR DE UM MOTOR A DIESEL. A presente invenção se refere a um motor a diesel e sistema de pós-tratamento de exaustão, em que um controlador é disposto para controlar operação do motor para obter um primeiro ajuste de características de exaustão e para controlar um injetor de combustível para injetar combustível à montante do DPF e uma primiera taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida, e, depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, para controlar o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar operação do motor para obter um segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração do DPF venha a ocorrer. Pelo menos uma característica do primeiro ajuste e do segundo ajuste de características sendo diferente. A presente invenção também apresenta um método para tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel. A presente invenção igualmente se refere a um veículo que compreende o motor a diesel e sistema de (...).

Description

CAMPO TÉCNICO
[001] A presente invenção se refere genericamente a motores a diesel com sistemas de pós-tratamento de exaustão [exhaust aftertreatment systems (EATS)] e a métodos de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel e, mais particularmente, a tais motores e tais EATS e a tais métodos em que injeção de combustível e características de exaustão de motor são variadas durante regeneração.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA
[002] A publicação de pedido de patente internacional número WO2009/100412 comumente especificado e a publicação de pedido de patente internacional número WO2009/100413 comumente especificado, ambas dos quais são expressamente aqui incorporados por referência, apresentam regeneração de filtros de particulado diesel [diesel particulate filters (DPF)] em EATS por intermédio de regeneração de NO2. A assim chamada regeneração de NO2 “ativa” em temperaturas usualmente na faixa de 450 0C - 550 0C, que são acima de faixas de temperatura de regeneração de NO2 passiva convencionais e abaixo de faixas de temperatura de regeneração de O2 ativa convencionais, produz resultados animadores quando comparada tanto com regeneração de NO2 passiva convencional ou quanto com regeneração de O2 ativa convencional. Entretanto, sob muitas condições, particularmente quando o motor e o ETAS são utilizados em operações transientes ao longo de estrada, veiculares, combustível injetado por intermédio de um assim chamado sétimo injetor para aquecer um DPF para temperaturas desejadas para regeneração de NO2 ativa, pode provocar deslizamento de hidrocarboneto através de um catalisador de oxidação de diesel [diesel oxidation catalyst (DOC)] à montante do DPF, que pode inibir reciclagem de NO2 que é desejável para a regeneração de NO2 ativa.
[003] É desejável proporcionar um método de tratamento de gases de exaustão e um motor e sistema de pós-tratamento de exaustão que venham a permitir regeneração de DPF, particularmente desempenho de regeneração de NO2 ativa, sob condições que podem reduzir o risco de deslizamento de hidrocarboneto passado um DOC ou um DPF. É também desejável proporcionar um método de tratamento de gases de exaustão e um motor e sistema de pós-tratamento de exaustão que venham a permitir desempenho de regeneração de DPF efetiva, particularmente desempenho de regeneração de NO2 ativa, sob condições que reduzem risco de regeneração descontrolada ou outro dano térmico para um DPF ou para um SCR.
[004] Em concordância com um aspecto da presente invenção, um método de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel compreende operação do motor e passagem de gases de exaustão através de um filtro de particulado de diesel (DPF), operação do motor para obter um primeiro ajuste de características de exaustão e injeção de combustível à montante do DPF em uma primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida, e depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, redução de uma taxa de injeção de combustível e operação do motor para obter um segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração do DPF venha a ocorrer, pelo menos uma característica do primeiro ajuste e do segundo ajuste de características sendo diferente.
[005] Em concordância com um outro aspecto da presente invenção, um motor a diesel e sistema de pós-tratamento de exaustão compreendem um motor a diesel adaptado para ser operado para atingir pelo menos dois diferentes ajustes de características de exaustão, um filtro de particulado de diesel (DPF) à jusante do motor, um injetor de combustível à jusante do motor e à montante do DPF, e um controlador disposto para controlar operação do motor para obter um primeiro ajuste de características de exaustão e para controlar o injetor de combustível para injetar combustível à montante do DPF em uma primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida, e, depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, para controlar o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar operação do motor para obter um segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração do DPF venha a ocorrer, pelo menos uma característica do primeiro ajuste e do segundo ajuste de características sendo diferente.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS
[006] As características e vantagens da presente invenção irão se tornar mais bem compreendidas pela leitura da descrição em maiores detalhes posteriormente, em conjunção com os Desenhos acompanhantes, nos quais: Figura 1 é uma vista esquemática de um veículo incluindo um motor a diesel e sistema pós- tratamento de exaustão em concordância com um aspecto da presente invenção; e Figura 2 é um fluxograma ilustrando etapas em um método de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel em concordância com um aspecto da presente invenção. DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO
[007] A Figura 1 mostra um motor a diesel (21) e sist ema pós-tratamento de exaustão (23) (ETAS) em concordância com um aspecto da presente invenção que poderiam ser utilizados em uma variedade de aplicações, particularmente aplicações em que o motor a diesel é utilizado para tracionar um veículo (25) (mostrado esquematicamente tracejado). Enquanto a presente invenção seja considerada para ser particularmente útil em veículos, tais como caminhões, a mesma pode ser utilizada em outros tipos de veículos, e bem como em aplicações não veiculares.
[008] O motor a diesel (21) é adaptado para ser operado para atingir pelo menos dois diferentes ajustes de características de exaustão. Por exemplo, por ajustamento de características de operação de motor, tal como o tempo de (regulagem de) injeção de combustível, é possível mudar os níveis de NOx na, e/ou a temperatura da, exaustão de motor. É também possível ajustar características de operação de motor para obter diferentes taxas de fluxo de massa de exaustão, tais como por mudança de velocidade ou carga de motor, ou por fechamento de uma geometria de turbocharger de geometria variável. Uma variedade de técnicas para alteração de características de exaustão de motor é bem conhecida no estado da técnica e a presente invenção não é considerada como sendo limitada para utilização de quaisquer técnicas em particular.
[009] O EATS 23 inclui um filtro de particulado de diesel (27) (DPF) à jusante do motor (21). O EATS (23) adi cionalmente inclui um injetor de combustível (29) à jusante do motor (21) e à montante do DPF (27). Um catalisador de oxidação de diesel (31) (DOC) pode ser proporcionado à montante do DPF (27), e um catalisador de redução catalítica seletiva [selective catalytic reduction (SCR)] (33) pode ser proporcionado à jusante do DPF. Sensores podem ser localizados em uma variedade de pontos no EATS (33) para monitoramento de uma variedade de características de exaustão, incluindo taxa de fluxo de massa de exaustão, temperatura níveis de NOx, e níveis de hidrocarboneto em um ponto ou mais dos vários pontos no EATS. Sensores para monitoramento de uma ou mais características de exaustão, incluindo taxa de fluxo de massa de exaustão, temperatura, níveis de NOx, e níveis de hidrocarboneto, normalmente incluem pelo menos um sensor (35) disposto entre o motor (21) e o DOC 31 (se proporcionado), um outro sensor (37) entre o DOC e o DPF (27), um outro sensor (39) entre o DPF e o catalisador de SCR (33), e um outro sensor (41) à jusante do catalisador de SCR. Um sensor (43) pode também ser proporcionado no DPF.
[0010] O EATS (23) pode compreender as características do aparelho e ser operado em concordância com o método para regeneração do DPF por regeneração fundamentada em NO2 ativa com suprimento de NO2 efetivo reforçado, como apresentado na publicação de pedido de patente internacional número WO2009/100412 comumente especificado, e/ou compreende as características do aparelho a ser operado em concordância com o método para regeneração de um DPF utilizando NOx recirculado como apresentado na publicação de pedido de patente internacional número WO2009/100413 comumente especificado, ambas dos quais são expressamente aqui incorporados por referência.
[0011] Um controlador (45), que pode ser qualquer forma adequada de controle eletrônico, tal como um computador, uma ECU, ou os assemelhados, é disposto para controlar operação do motor (21) para obter um primeiro ajuste de características de exaustão e para controlar o injetor de combustível (29) para injetar combustível à montante do DPF (27) em uma primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida, e, depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, para controlar o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar operação do motor para obter um segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração do DPF venha a ocorrer, pelo menos uma característica do primeiro ajuste e do segundo ajuste de características sendo diferente. Quando injeção de combustível vem a ser reduzida, é reduzida para um nível abaixo da primeira taxa de injeção e maior do que ou igual a zero.
[0012] O primeiro ajuste de características de exaustão pode diferir a partir do segundo ajuste de características de exaustão com respeito para uma variedade de características, incluindo uma ou mais de taxa de fluxo de massa, temperatura de exaustão, e níveis de NOx. Normalmente, o primeiro ajuste de características de exaustão irá incluir uma ou mais de uma taxa de fluxo de massa mais alta e um nível de NOx mais baixo do que o segundo ajuste de características de exaustão. Durante operação de motor normal, níveis de NOx estão tipicamente em torno de 400 ppm, entretanto, durante uma regeneração de NO2 ativa, níveis de NOx estão freqüentemente em torno de 1.000 ppm. Durante operação de motor normal, temperaturas de exaustão podem estar em torno de 300 0C enquanto, quando altas temperaturas de exaustão são produzidas, temperaturas podem estar em torno de 400 0C. Durante operação normal, taxas de fluxo de massa de exaustão para um motor de 13 litros estão tipicamente em uma faixa de 0 kg/s - 0,5 kg/s. Se fluxo de massa de exaustão durante regeneração é de menos do que taxas de fluxo de massa normais, resfriamento do DPF pode ser diminuído, o que pode auxiliar na eficácia da regeneração.
[0013] A pelo menos uma condição pode incluir um ou mais de aquecimento do DPF (27) para uma temperatura em ou acima de uma temperatura de aquecimento pré-determinada na qual regeneração de NO2 ativa vem a ocorrer, mas abaixo de uma temperatura na qual regeneração descontrolada do DPF vem a ocorrer ou existe um risco de dano para o catalisador de SCR (33). Por exemplo, o DPF (27) poderia ser aquecido para 550 0C, que está abaixo ou próximo da faixa de fundo das temperaturas nas quais regeneração de NO2 ativa tem tendência a ocorrer. A temperatura particular para a qual o DPF (27) é aquecido pode, em adição, ser uma função de fatores adicionais, tal como carregamento de fuligem no DPF, onde um carregamento de fuligem mais alto poderia tender a reclamar por uma temperatura de alvo mais baixa. A pelo menos uma condição pode também, ou alternativamente, incluir sensoriamento de que uma quantidade de deslizamento de hidrocarboneto através do DOC (31) à montante do DPF que venha a exceder um nível pré-determinado no qual operação do DPF ou do catalisador de SCR (33) poderia ser comprometida ou danificada para o DPF ou o catalisador de SCR que poderia ocorrer. Um deslizamento de hidrocarboneto aceitável máximo típico através de um DPF à montante de um SCR é correntemente em torno de 30 ppm. A pelo menos uma condição pode também, ou alternativamente, incluir sensoriamento de que uma temperatura à montante ou à jusante a partir do DPF está em ou acima de uma temperatura pré-determinada, ou de que, fundamentada sobre modelagem, uma temperatura do DPF ou à montante ou à jusante do DPF está em ou acima de uma temperatura pré-determinada, ou de que uma quantidade pré-determinada de tempo, durante o qual o injetor de combustível (29) estava injetando combustível na primeira taxa e o motor (21) foi operado para obter a primeira característica de exaustão, tenha decorrido.
[0014] Normalmente, o controlador (45) é disposto de maneira que, depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, o controlador controla o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e controla operação do motor para obter um segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração de NO2 reforçada do DPF venha a ocorrer. Na medida em que hidrocarboneto pode se comportar como um inibidor para regeneração de fuligem ou reação de oxidação de fuligem com NO2, a taxa de injeção de combustível através do sétimo injetor é reduzida para o nível tal que o nível de deslizamento de hidrocarboneto através do DOC é mantido dentro de um nível aceitável para assegurar uma taxa suficiente de regeneração de fuligem. Um deslizamento de hidrocarboneto aceitável através de um DOC à montante de um DPF é correntemente em torno de 30 ppm. Regeneração pode, mas não necessita, ocorrer quando o controlador (45) controla operação do motor (21) para obter o primeiro ajuste de características de exaustão e controla o injetor de combustível (29) para injetar combustível à montante do DPF (27) em uma primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida, e/ou durante outros períodos de operação.
[0015] O controlador (45) pode também ser disposto para controlar o injetor de combustível (29) de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar operação do motor (21) para obter o segundo ajuste de características de exaustão até que pelo menos uma segunda condição venha a ser atingida. A pelo menos uma segunda condição pode incluir um ou mais de resfriamento do DPF (27) (ou um ponto à montante ou à jusante do DPF) para abaixo de uma temperatura de regeneração pré-determinada, ou um lapso de uma quantidade pré-determinada de tempo. A pelo menos uma segunda condição pode incluir uma temperatura de DPF (27) (ou uma temperatura à jusante do DPF) caindo abaixo de uma temperatura de regeneração pré-determinada fundamentada sobre modelagem ao invés de sobre mensurações efetivas de temperatura de DPF. Irá ser apreciado que referências para temperatura de DPF podem significar temperatura em uma entrada do DPF ou à montante do DPF, preferencialmente do que temperatura mensurada no interior do DPF em si mesmo.
[0016] Um método de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel (21) é ilustrado na Figura 2 e compreende a etapa (101) de operação do motor (21) e passagem gases de exaustão através do DPF (27). Em uma etapa adicional (103), o motor (21) é operado para obter um primeiro ajuste de características de exaustão e combustível é injetado por um injetor de combustível (29) à montante do DPF (27) em uma primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida. A etapa (103) pode incluir controle de uma taxa de elevação de temperatura do DPF (27) durante operação do motor (21) para obter o primeiro ajuste de características de exaustão e injeção de combustível à montante do DPF na primeira taxa de injeção. Desta maneira, estresse térmico sobre o DPF (27), que poderia provocar quebras (trincas) e/ou falha do DPF, pode ser minimizado. Um limite típico de taxa de elevação de temperatura poderia ser, por exemplo, de 3 0C / segundo.
[0017] Em uma etapa adicional (105), depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, uma taxa de injeção de combustível pelo injetor de combustível (29) vem a ser reduzida e o motor (21) é operado para obter um segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração do DPF (27) venha a ocorrer, pelo menos uma característica do primeiro ajuste e do segundo ajuste de características sendo diferente.
[0018] Em uma etapa adicional (107), a etapa (105) de redução da taxa de injeção de combustível e operação do motor (21) para obter o segundo ajuste de características de exaustão pode ser desempenhada até que pelo menos uma segunda condição venha a ser atingida. Depois que a segunda condição venha a ser atingida, a etapa (103) pode ser repetida em que o motor (21) pode ser operado para obter o primeiro ajuste de características de exaustão e combustível pode ser injetado à montante do DPF (27) na primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida. Em uma etapa adicional (109), as etapas de operação do motor (21) para obter o primeiro ajuste de características de exaustão e injeção de combustível à montante do DPF (27) em uma primeira taxa de injeção até que pelo menos uma condição venha a ser atingida [etapa (103)] e, depois que a pelo menos uma condição venha a ser atingida, redução da taxa de injeção de combustível e operação do motor (21) para obter o segundo ajuste de características de exaustão de maneira que regeneração reforçada do DPF venha a ocorrer é desempenhada até que pelo menos uma segunda condição venha a ser atingida [etapa (105)] que pode ser repetida até que carregamento de fuligem do DPF venha a cair abaixo de um nível pré- determinado.
[0019] No presente pedido de patente, a utilização de expressões tais como “incluindo” é de significação abrangente e é intencionada para possuir o mesmo significado como expressões tais como “compreendendo” e não impedem a presença de outra estrutura, material ou atos. Similarmente, através da utilização de expressões tais como “pode” ou “poderia” é intencionada para ser de significação abrangente e para refletir aquela estrutura, material, ou atos que não são necessários, a falha para utilização de tais expressões não é intencionada para refletir aquela estrutura, material ou atos que são essenciais. Na extensão em que aquela estrutura, material, ou atos são presentemente considerados como sendo essenciais, os mesmos são identificados como tais.
[0020] Conquanto esta presente invenção tenha sido ilustrada e descrita em concordância com uma concretização preferida, deve ser reconhecido que variações e mudanças podem ser feitas na mesma sem se afastar a partir da presente invenção como estabelecida nas reivindicações acompanhantes.

Claims (18)

1. Método de tratamento de gases de exaustão a partir de um motor a diesel, que compreende: - operar o motor e passar os gases de exaustão através de um filtro de particulado de diesel (DPF); caracterizado por adicionalmente compreender: - operar o motor para obter um primeiro conjunto de características de exaustão e injetar combustível à montante do DPF em uma primeira taxa de injeção de maneira que regeneração fundamentada em NO2 ativa do DPF venha a ocorrer até que uma condição seja atingida; e - depois que a condição é atingida, reduzir uma taxa de injeção de combustível e operar o motor para obter um segundo conjunto de características de exaustão de maneira que regeneração fundamentada em NO2 do DPF venha a ocorrer, uma das características do primeiro e do segundo conjunto de características sendo diferente.
2. Método, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro conjunto de características de exaustão inclui uma taxa de fluxo de massa de exaustão mais alta do que o segundo conjunto de características de exaustão.
3. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que o segundo conjunto de características de exaustão inclui NOx mais alto do que o primeiro conjunto de características de exaustão.
4. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a referida condição incluir aquecer o DPF até uma temperatura acima de uma temperatura de aquecimento pré- determinada.
5. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de a referida uma condição incluir uma quantidade de hidrocarboneto deslizando através de um catalisador de oxidação de diesel à montante do DPF excedendo um nível pré- determinado.
6. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a etapa de reduzir a taxa de injeção de combustível e de operar o motor para obter o segundo conjunto de características de exaustão é desempenhada até que uma segunda condição venha a ser atingida.
7. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a referida segunda condição inclui resfriar o DPF abaixo de uma temperatura de regeneração pré-determinada.
8. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a referida segunda condição inclui uma temperatura de DPF modelada caindo abaixo de uma temperatura de regeneração pré-determinada.
9. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que a referida segunda condição inclui um lapso de um tempo pré- determinado.
10. Método, de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que compreende, depois que a segunda condição é atingida, operar o motor para obter o primeiro conjunto de características de exaustão e injetar combustível à montante do DPF na primeira taxa de injeção até que uma condição seja atingida.
11. Método, de acordo com a reivindicação 10, caracterizado pelo fato de que compreende repetir as etapas de operar o motor para obter o primeiro conjunto de características de exaustão e injetar combustível à montante do DPF na primeira taxa de injeção até que uma condição seja atingida e, depois que a referida condição é atingida, reduzir a taxa de injeção de combustível e operar o motor para obter o segundo conjunto de características de exaustão até que uma segunda condição seja atingida até que o carregamento de fuligem do DPF venha a cair abaixo de um nível pré- determinado.
12. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que compreende controlar uma taxa de elevação de temperatura do DPF durante operação do motor para obter o primeiro conjunto de características de exaustão e injetar combustível à montante do DPF na primeira taxa de injeção.
13. Método, de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que depois que a referida condição é atingida, a taxa de injeção de combustível é reduzida e o motor é operado para obter o segundo conjunto de características de exaustão de maneira que regeneração fundamentada em NO2 ativa do DPF venha a ocorrer.
14. Sistema de pós-tratamento de motor a diesel e de exaustão , caracterizado pelo fato de que ser disposto para desempenhar o método conforme definido na reivindicação 1 ou 2.
15. Sistema de pós-tratamento de motor a diesel e de exaustão , que compreende: - um motor a diesel adaptado para ser operado para atingir dois diferentes conjuntos de características de exaustão; - um filtro de particulado de diesel (DPF) à jusante do motor; - um injetor de combustível à jusante do motor e à montante do DPF; caracterizado pelo fato de que compreende: - um controlador disposto para controlar a operação do motor para obter um primeiro conjunto de características de exaustão e para controlar o injetor de combustível à montante do DPF em uma primeira taxa de injeção de maneira que regeneração fundamentada em NO2 ativa do DPF venha a ocorrer até que uma condição seja atingida, e, depois que a referida condição é atingida, para controlar o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar a operação do motor para obter um segundo conjunto de características de exaustão de maneira que regeneração fundamentada em NO2 ativa do DPF venha a ocorrer, uma das características do primeiro e do segundo conjunto de características sendo diferente.
16. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que o controlador é disposto para controlar o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar a operação do motor para obter o segundo conjunto de características de exaustão até que uma segunda condição seja atingida.
17. Sistema, de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de que depois que a referida uma condição é atingida, o controlador é disposto para controlar o injetor de combustível de maneira que uma taxa de injeção de combustível venha a ser reduzida e para controlar a operação do motor para obter um segundo conjunto de características de exaustão de maneira que regeneração fundamentada em NO2 ativa do DPF venha a ocorrer.
18. Veículo, caracterizado pelo fato de que compreende o sistema de pós-tratamento de motor a diesel e de exaustão conforme definido em qualquer uma das reivindicações 15 a 17.
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