BR112013021254A2 - sistema de escapamento para um motor de combustão interna de veículo de queima pobre, e, motor de combustão interna de queima pobre - Google Patents

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Abstract

SISTEMA DE ESCAPAMENTO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE VEÍCULO DE QUEIMA POBRE, E, MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE QUEIMA POBRE Um sistema de escapamento para um motor de combustão interna de veículo de queima pobre que emite os óxidos de nitrogênio (NO) e matéria particulada (PM) é divulgado. O sistema compreende um catalisador de redução de NOX para reduzir NOX, na presença de um redutor nitrogenado, meios para introduzir o redutor nitrogenado em um gás de escapamento de escoamento, um filtro para remover a PM a partir do gás de escapamento que flui no sistema de escapamento e um circuito de recirculação de gás de escapamento (EGR) a baixa pressão para conectar o sistema de escapamento a jusante do filtro para uma entrada de ar do motor. O circuito de EGR compreende um catalisador de oxidação de amônia.

Description

: “SISTEMA DE ESCAPAMENTO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO : INTERNA DE VEÍCULO DE QUEIMA POBRE, E, MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE QUEIMA POBRE” : CAMPO DA INVENÇÃO S A presente invenção se refere a um sistema de escapamento À para um motor de combustão interna de veículo de queima pobre que emite óxidos de nitrogênio e matéria particulada.
FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO Um dos componentes mais onerosos em termos de gás de — escapamento de veículo são os óxidos de nitrogênio (NOx), que incluem óxido nítrico (NO), dióxido de nitrogênio (NO) e óxido nitroso (NO). A produção de NO, é particularmente problemática para os motores de queima pobre, tal como os motores a diesel. Para minimizar o impacto ambiental de NO, no gás de escapamento, é desejável eliminar estes componentes indesejáveis, de preferência por um processo que não gera outras substâncias nocivas e tóxicas.
Um método para a conversão de NO, em um gás de escapamento de motores a diesel, em substâncias mais benignas é comumente referido como Redução Catalítica Seletiva (SCR). Um processo de SCR envolve a conversão de NO,, na presença de um catalisador e com o auxílio de um agente redutor, em nitrogênio elementar (N,) e água. Em um processo de SCR, um redutor gasoso, amônia tipicamente anidra, amônia aquosa, ou ureia é adicionado a uma corrente de gás de escapamento, antes de contatar o catalisador. O redutor é absorvido sobre um catalisador e a reação de redução —de NO, ocorre medida que os gases passam através ou sobre o substrato catalisado. No entanto, para maximizar a eficiência de conversão, é frequentemente “necessário adicionar mais do que uma quantidade estequiométrica de amônia para a corrente de gás. Esse excesso de amônia seria prejudicial para o ambiente, se liberado para a atmosfera e, portanto,
Ê deve ser eliminado. Em sistemas de escapamento convencionais, um : catalisador de oxidação de amônia (também conhecido como um catalisador de deslocamento de amônia ou “ASC”) está instalado a jusante do catalisador : de SCR para esta finalidade. Para reduzir a quantidade de espaço necessário para um é sistema de escapamento, é muitas vezes desejável projetar componentes de escapamento individuais para efetuar mais do que uma função. Por exemplo, a aplicação de um catalisador de SCR para um substrato de filtro (SCRF) serve para reduzir o tamanho global de um sistema de tratamento de — escapamento, permitindo que um substrato sirva a duas funções, isto é, a conversão catalítica de NO, pelo catalisador de SCR e a remoção de fuligem pelo filtro. Convencionalmente, estas duas funções foram feitas separadamente por um SCR e um filtro de fuligem catalítico (CSF), respectivamente.
A recirculação de gás de escapamento (EGR) é um método para reduzir as emissões de NO, a partir de um motor pelo retorno de uma porção de um gás de escapamento do motor para as câmaras de combustão do motor através da entrada de ar. EGR funciona através da redução da concentração de oxigênio na câmara de combustão, diminuindo assim a temperatura de pico da chama de combustão do combustível, bem como por meio de absorção de calor. EGR não é uma nova tecnologia - tem sido usada desde meados de 1970 em motores movidos a gasolina de automóveis de passageiros. Após a aplicação de gasolina, EGR também foi introduzida para automóveis de passageiros a diesel e - a partir do início de 2000 - para — motores a diesel para serviço pesado.
Em geral, existem dois arranjos de sistema de escapamento de EGR compreendendo: (i) EGR de circuito fechado de alta pressão, em que o gás de escapamento é recirculado desde a montante de um turbocompressor para assegurar que o gás de escapamento irá fluir a partir do primeiro para o
S segundo, e (ii) EGR de circuito fechado de baixa pressão (também chamada . de EGR de circuito fechado longo), onde o gás de escapamento é recirculado muitas vezes a partir de a jusante de um filtro de partículas, permitindo que . todo o gás de escapamento seja utilizado no turbo. Pressão do gás de — escapamento a jusante do filtro é geralmente inferior à do coletor de entrada, À permitindo que o gás escapamento escoe a partir do primeiro para o segundo local. Em uso, particularmente durante o arranque a frio de um veículo configurado para satisfazer o ciclo de acionamento de MVEG-A, uma válvula de EGR é ajustada para recircular cerca de 50 % do gás de escapamento do motor. O gás de escapamento emitido a partir do motor durante EGR tem menor teor de oxigênio, mas não maior teor de NO, do que o gás de escapamento recirculado a partir do sistema de escapamento do motor.
Embora os sistemas de SCRF ofereçam vantagem tremenda para conversão de NO, melhorada em comparação com os sistemas convencionais de catalisador de CSF + SCR separados, a máxima vantagem é obtida usando os chamados EGR de baixa pressão, através do qual a EGR é feita após o SCRF. No entanto, um problema pode ser que amônia se desloca —apartirde SCRF (devido ao gás não ideal, ou NH;3, ou fonte de NH;3, tal como a ureia, ou devido a variações nas condições de funcionamento que resultam na liberação de amônia armazenada a partir do SCRF). Amônia ou espécies de fonte de NH;, em seguida, entram no sistema de EGR. Estas espécies podem causar danos ao sistema de EGR. Catalisadores de deslocamento de amônia foram utilizados para evitar a entrada de NH; na atmosfera (ou seja, através do tubo de escapamento de um automóvel), mas que não foram utilizados no sistema de EGR em si. A EGR-ASC deve ter alta seletividade para formar N, e ter baixa contrapressão.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
: A invenção inclui um sistema de escapamento de um motor de Ç combustão interna de veículo de queima pobre que emite óxidos de nitrogênio (NO*) e matéria particulada (PM), e um motor de combustão interna de - queima pobre que contém o sistema de escapamento. O sistema compreende um catalisador de redução de NO, para reduzir NO,, na presença de um à redutor nitrogenado, meios para introduzir o redutor nitrogenado em um gás de escapamento de escoamento, um filtro para remover PM a partir do gás de escapamento que flui no sistema de escapamento e um circuito de recirculação de gás de escapamento (EGR) de baixa pressão para conectar o — sistema de escapamento a jusante do filtro para uma entrada de ar do motor. O circuito de EGR compreende um catalisador de oxidação de amônia. O catalisador de oxidação de amônia serve para oxidar a maioria, se não a totalidade, da amônia, no circuito fechado de recirculação de gás de escapamento antes que o gás de escapamento entre no motor. Assim, o catalisador de oxidação de amônia reduz a concentração de amônia se deslocando a partir da reação de redução do NO,, a liberação de amônia a partir da superfície do catalisador durante o rápido aumento de temperatura, ou a partir da utilização de um excesso estequiométrico de redutor.
BREVE DESCRIÇÃO DO DESENHO A FIG. 1 é um fluxograma esquemático de uma forma de realização da invenção.
DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO A invenção é um sistema de escapamento que compreende um catalisador de redução de NO, para reduzir NO,, na presença de um redutor — nitrogenado, meios para introduzir o redutor nitrogenado em um gás de escapamento de escoamento, um filtro para remover PM a partir dos gases de escapamento que flui no sistema de escapamento e um circuito de recirculação de gás de escapamento (EGR) de baixa pressão para conectar o sistema de escapamento a jusante do filtro para uma entrada de ar do motor. O
: circuito de EGR compreende um catalisador de oxidação de amônia. i Os catalisadores de redução de NO, adequados conhecidos na técnica incluem catalisadores de redução catalítica seletiva (SCR), que são . particularmente úteis para catalisar seletivamente a redução de NO,, 5 utilizando um redutor nitrogenado. Os catalisadores adequados de redução catalítica seletiva incluem peneiras moleculares promovidas por metais de transição, tais como os zeólitos de aluminossilicato e silicoaluminofosfatos. Os promotores adequados de metais de transição incluem Cr, Ce, Mn, Fe, Co, Ni e Cu e misturas de quaisquer dois ou mais dos mesmos. Os catalisadores de peneira molecular preferidos incluem CuCHA, tais como Cu-SAPO-34, Cu-SSZ-13, e Fe- Beta zeólito, onde tanto o Fe está presente na armação da estrutura de peneira molecular e/ou de outra forma associado, por exemplo, com troca de íon com a estrutura da armação. Fe-WOx-ZrO, pode ser usado como um catalisador de SCR de peneira não molecular ativa.
O redutor nitrogenado para utilização no sistema pode ser amônia per se, hidrazina ou um precursor de amônia selecionado a partir do grupo constituído por ureia ((NH>);CO), carbonato de amônio, carbamato de amônio, hidrogeno carbonato de amônio e formiato de amônio.
O redutor nitrogenado é adicionado ao gás de escapamento de — escoamento por quaisquer meios adequados para a introdução do redutor no gás de escapamento. Os meios adequados incluem um injetor, pulverizador, ou alimentador, e é de preferência um injetor. Tais meios são bem conhecidos na técnica.
O sistema pode compreender meios para controlar a — introdução do redutor nitrogenado no gás de escapamento, a fim de reduzir NO, no mesmo. Em uma forma de realização, o meio de controle compreende uma unidade de controle eletrônico, opcionalmente uma unidade de controle do motor.
Além disso, os meios de controle podem compreender um
Ê sensor de NO, localizado a jusante do catalisador de redução de NO,. S O sistema também compreende um filtro, de preferência, um filtro de fluxo de parede. . O filtro e o catalisador de redução de NO, podem ser dispostos em qualquer configuração adequada. Em uma forma de realização, o ÀÂ catalisador de redução de NO, é localizado a jusante do filtro. Nesta forma de realização, os meios para a introdução de um redutor em um gás de escapamento estão adequadamente localizados entre o filtro e o catalisador de redução de NO,.
De preferência, o catalisador de redução de NO, está localizado no filtro, ainda mais preferivelmente sob a forma de um filtro de redução catalítica seletiva (conhecida como um SCRF). Quando o filtro é um filtro de fluxo de parede, o catalisador de redução de NO, pode ser formulado como um impregnador que permeia as paredes do filtro. Isto pode ser feito, por exemplo, por moagem de catalisador a um tamanho de partícula médio < 5 pm. Nesta forma de realização, os meios para a introdução de um redutor em um gás de escapamento de escoamento estão adequadamente localizados a montante do filtro.
De preferência, um segundo catalisador de oxidação de amônia — pode ser disposto a jusante do catalisador de redução de NO, e a montante da EGR, em relação à direção do fluxo do gás de escapamento através do sistema. Mais preferivelmente, o segundo catalisador de oxidação de amônia está localizado na parte posterior do filtro de redução catalítica seletiva de tal modo que o filtro compreende um catalisador de redução catalítica seletiva ao longo e uma zona posterior em relação à direção do fluxo do gás de escapamento através do sistema, que é revestido com o segundo catalisador de oxidação de amônia. O segundo catalisador de oxidação de amônia, de preferência compreende platina e/ou paládio sobre um óxido metálico, tal como alumina.
: Em uma forma de realização preferida, um catalisador de á oxidação de NO para oxidar NO a dióxido de nitrogênio está localizado a montante do filtro e/ou do catalisador de redução de NO,. O catalisador de . oxidação de NO compreende de preferência um metal do grupo da platina, - 5 maispreferivelmente platina.
: O sistema também compreende um circuito de recirculação de gás de escapamento (EGR) de baixa pressão para conectar o sistema de escapamento a jusante do filtro para uma entrada de ar do motor, em que o circuito de EGR compreende um catalisador de oxidação de amônia (também — conhecido como um catalisador de deslocamento de amônia ou “ASC”).
De preferência, o material de catalisador de oxidação de amônia deve ser selecionado para favorecer a oxidação de amônia, em vez da formação de NO, ou NO. Materiais catalisadores preferidos incluem platina, paládio ou uma combinação dos mesmos, com platina ou uma combinação de —platina/paládio sendo preferida. De preferência, o catalisador de oxidação de amônia compreende platina e/ou paládio suportado sobre um óxido de metal. De preferência, o catalisador é colocado sobre um suporte de elevada área superficial, incluindo, mas não limitado a alumina.
Em certas formas de realização, o catalisador de oxidação de amônia é aplicado a um substrato, de preferência substratos que são projetados para proporcionar grande superfície de contato com contrapressão mínima. De preferência, o catalisador de oxidação de amônia está localizado em ou sobre um substrato de monólito de fluxo traspassante, tal como favos de cordierita ou metálicos de fluxo traspassante. Por exemplo, um substrato — de monólito de fluxo traspassante preferido possui entre cerca de 25 e cerca de 300 células por polegada quadrada (6,45 cm”) (cpsi) para garantir a baixa contrapressão. Atingir contrapressão baixa é particularmente importante para minimizar o efeito do catalisador de oxidação de amônia sobre o desempenho da EGR de baixa pressão.
: Um catalisador de oxidação de amônia pode ser aplicado ao . substrato de monólito de fluxo traspassante como um impregnador, preferivelmente para atingir uma carga de cerca de 0,3 a 2,3 g/inº (16,39 em”). . Para proporcionar conversão adicional de NO,, a parte da frente do substrato — pode ser revestida com apenas o revestimento de SCR, e a parte posterior : revestida com SCR e uma composição de catalisador de oxidação de amônia, tal como Pt ou Pt/Pd sobre um suporte de alumina.
De acordo com um outro aspecto, a invenção proporciona um motor de combustão interna de queima pobre compreendendo um sistema de — escapamento de acordo com a invenção. O motor de combustão interna de queima pobre pode ser um motor gasolina de queima pobre ou um motor a diesel, mas o motor também pode funcionar com combustíveis alternativos como o gás liquefeito de petróleo, gás natural ou compreender biocombustíveis ou produtos gás-para-líquidos. Em uma forma de realização particular, o motor de combustão interna de queima pobre é um motor de ignição por compressão acionado, por exemplo, por combustível diesel.
De modo que a invenção possa ser mais plenamente compreendida, os seguintes Exemplos são fornecidos apenas a título de ilustração e com referência ao desenho que a acompanha.
EXEMPLOS A Figura | é um diagrama esquemático de um motor de combustão interna de veículos de queima pobre compreendendo um sistema de escapamento de acordo com uma primeira forma de realização da invenção caracterizando um componente de catalisador de oxidação de amônia disposto emunm circuito de recirculação de gás de escapamento.
Fazendo-se referência à Figura 1, nela está representado um motor a diesel 12 compreendendo um sistema de escapamento 10, de acordo com a presente invenção. O sistema de escapamento compreende uma linha de escapamento 14 em que os componentes de pós-tratamento estão dispostos f em série. O catalisador de oxidação de NO 16 compreende um substrato de 6 monólito cerâmico de fluxo traspassante revestido com uma composição de catalisador de oxidação de NO compreendendo uma combinação rica em . platina de platina e paládio suportados sobre um material de suporte a base de S —aluminade elevada área superficial.
é Um filtro cerâmico de fluxo de parede 20 que compreende um impregnador de catalisador de redução catalítica seletiva Cu-SSZ-13 está disposto a jusante do catalisador de oxidação de NO 16. Um catalisador de deslocamento ou limpeza de oxidação da amônia opcional 36 pode ser revestido em uma extremidade a jusante do substrato de monólito de catalisador de SCR. Meios (injetor 22) são fornecidos para a introdução de fluido redutor nitrogenado (ureia 26) do reservatório 24 para o gás de escapamento transportado na linha de escapamento 14. O injetor 22 é controlado através da válvula 28, cuja válvula é por sua vez controlada pela unidade de controle eletrônico 30 (controle de válvula representado pela linha tracejada). A unidade de controle eletrônico 30 recebe entrada de controle de retroalimentação do circuito fechado a partir de um sensor de NO, 32 localizado a jusante do catalisador de SCR.
O circuito de recirculação de gás de escapamento de baixa pressão 17 compreende uma válvula de recirculação de gás de escapamento 18, também controlado pela unidade de controle eletrônico 30. Disposto dentro do circuito de recirculação de gás de escapamento, ASC 19 compreende um substrato de monólito metálico de fluxo traspassante revestido com uma composição de Pt ou de Pt/Pd suportado em alumina. O ASC 19 serve para oxidar amônia que, de outro modo, entraria no motor.
º REIVINDICAÇÕES * 1. Sistema de escapamento para um motor de combustão interna de veículo de queima pobre que emite óxidos de nitrogênio (NO,) e . matéria particulada (PM), o sistema caracterizado pelo fato de que - 5 — compreende um catalisador de redução de NO, para reduzir NO,, na presença de um redutor nitrogenado, meios para introduzir o redutor nitrogenado em um gás de escapamento de escoamento, um filtro para remover PM a partir dos gases de escapamento que escoam no sistema de escapamento e um circuito de recirculação de gás de escapamento (EGR) a baixa pressão para — conectar o sistema de escapamento a jusante do filtro para uma entrada de ar do motor, em que o circuito de EGR compreende um catalisador de oxidação de amônia.
2. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o catalisador de redução de NO, é um catalisador de redução catalítica seletiva que compreende uma peneira molecular promovida por metal de transição.
3. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o redutor nitrogenado é amônia, hidrazina ou um precursor de amônia selecionado dentre o grupo consistindo de ureia ((NH)))CO), carbonato de amônio, carbamato de amônio, hidrogeno carbonato de amônio e formiato de amônio.
4, Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o catalisador de redução de NO, está localizado no filtro.
5. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o catalisador de oxidação de amônia compreende platina e/ou paládio suportado sobre um óxido de metal.
6. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que o catalisador de oxidação de amônia é
: localizado em ou sobre um substrato de monólito de fluxo traspassante. é. 7. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o substrato é metálico. . 8. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 6, : 5 — caracterizado pelo fato de que o substrato é composto por cerca de 25 a cerca de 300 canais paralelos por polegada quadrada (6,45 cm”) de área de seção transversal.
9. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o substrato é carregado com cerca de 0,3 a —cercade2,3g/in' (16,39 cm”) de um catalisador de oxidação de amônia.
10. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que o substrato tem uma parte dianteira e uma parte posterior, em relação à direção do fluxo de gás através do substrato, e em que a parte dianteira é carregada com um catalisador de redução catalítica seletiva (SCR)ea parte posterior está carregada com um SCR e uma composição de catalisador de oxidação de amônia.
11. Sistema de escapamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que compreende ainda um segundo catalisador de oxidação de amônia disposto a jusante do SCRF e a montante da EGR, em relaçãoà direção do fluxo do gás de escapamento através do sistema.
12. Motor de combustão interna de queima pobre, caracterizado pelo fato de que compreende um sistema de escapamento como definido em qualquer uma das reivindicações precedentes.
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* RESUMO , “SISTEMA DE ESCAPAMENTO PARA UM MOTOR DE COMBUSTÃO INTERNA DE VEÍCULO DE QUEIMA POBRE, E, MOTOR DE . COMBUSTÃO INTERNA DE QUEIMA POBRE”
: 5 Um sistema de escapamento para um motor de combustão interna de veículo de queima pobre que emite os óxidos de nitrogênio (NO,) e matéria particulada (PM) é divulgado.
O sistema compreende um catalisador de redução de NO, para reduzir NO,, na presença de um redutor nitrogenado, meios para introduzir o redutor nitrogenado em um gás de escapamento de
— escoamento, um filtro para remover a PM a partir do gás de escapamento que flui no sistema de escapamento e um circuito de recirculação de gás de escapamento (EGR) a baixa pressão para conectar o sistema de escapamento a jusante do filtro para uma entrada de ar do motor.
O circuito de EGR compreende um catalisador de oxidação de amônia.
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