BR112021009340A2

BR112021009340A2 - método e dispositivo para prover temperatura de escapamento aumentada e emissões diminuídas, e, motor a diesel

Info

Publication number: BR112021009340A2
Application number: BR112021009340-0A
Authority: BR
Inventors: Mats Hedman
Original assignee: Hedman Ericsson Patent Ab
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2019-12-13
Publication date: 2021-08-10
Also published as: SE543587C2; EP3894679B1; EP3894679A1; KR20210099640A; JP2022513220A; EP3894679C0; CN113167182A; US11242810B2; MX2021007060A; ES2958159T3; CN113167182B; SE1851587A1; WO2020122807A1; US20210355888A1; EP3894679A4

Abstract

MÉTODO E DISPOSITIVO PARA PROVER TEMPERATURA DE ESCAPAMENTO AUMENTADA E EMISSÕES DIMINUÍDAS, E, MOTOR A DIESEL. A presente invenção se refere a um método para temperatura do gás de escapamento aumentada e redução de emissão em cargas parciais em um motor a diesel, em que o dito motor compreende um cilindro com um pistão alternado, um volume de compressão variável (VCR), e pelo menos uma válvula de escapamento e pelo menos uma válvula de entrada, o último sendo equipado com sincronismo de válvula variável (WT). De acordo com a exigência de potência do motor predominante, um sistema de controle do motor determina quando abrir e fechar a dita válvula de entrada, e o tamanho do dito volume de compressão a fim de alcançar uma temperatura do gás de escapamento suficientemente elevada de forma que correta purificação do gás de escapamento possa ser alcançada. O método é distinguido em que a pressão do cilindro durante o curso de expansão é gerenciada pelo sistema de controle do motor por meio das funções de VCR e VVT, de maneira tal que a dita pressão alcance níveis atmosférico ou subatmosférico no ou antes do ponto morto inferior, nas cargas de motor em ou abaixo de 25% da máxima carga do motor, pela qual a válvula de entrada é aberta para permitir que o ar misture com os gases de combustão. A invenção também se refere a um dispositivo correspondente e a um motor a diesel compreendendo o dito dispositivo.

Description

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MÉTODO E DISPOSITIVO PARA PROVER TEMPERATURA DE ESCAPAMENTO AUMENTADA E EMISSÕES DIMINUÍDAS, E,

MOTOR A DIESEL Campo Técnico

[001] A presente invenção se refere a um método para prover uma temperatura de escapamento aumentada e/ou emissão diminuída durante carga parcial do motor em um motor a diesel e a um dispositivo para realizar o método. Fundamentos da Invenção

[002] É amplamente conhecido que controle de emissões em veículos com motores a diesel funciona fracamente em velocidades mais baixas, tais como, por exemplo, no tráfego da cidade ou durante frequentes arrancadas e paradas. Isto é particularmente válido durante o início e a direção inicial com um motor frio.

[003] Em uma publicação da Administração de Transporte Sueca em relação ao controle de emissões, Capítulo 11, de outubro de 2012, o seguinte descreve os fundamentos, o estado da técnica e os problemas com os motores a diesel de hoje em dia de uma maneira suficiente e completa. Cita-se “11. CONTROLE DE EMISSÕES Emissões do gás de escapamento e controle de emissões

[004] Durante a combustão em um motor a diesel, diferentes tipos de emissões do gás de escapamento são formados. O nível de descarga para alguns dos mesmos é controlado em leis e regulamentações. Desde que as leis foram introduzidas, as exigências se tornaram crescentemente estritas. As emissões que são controladas são emissões de hidrocarboneto (HC), monóxido de carbono (CO), óxidos de nitrogênio (NOx) e particulados (PM). Dióxido de carbono também é emitido durante combustão do diesel, mas este gás é um produto da combustão que é gerada em uma quantidade que é

2 / 20 dependente do número de átomos de carbono no combustível. Dióxido de carbono é um gás que contribui para o efeito estufa, e, se o mesmo for produzido durante a combustão de combustível fóssil, uma taxa deve ser paga, assim denominada taxa de dióxido de carbono.

[005] Desde muito tempo atrás, o objetivo básico para todas as emissões relacionadas ao desenvolvimento de motor era reduzir as emissões de base do motor, isto é, as emissões que são formadas no sistema de combustão do motor. Isto foi muito bem-sucedido durante os anos usando desenvolvimento de combustão avançada, sistemas de injeção com pressões muito altas e injeções sequenciais e troca de gás avançada por meio do desenvolvimento de sistemas de turbocompressão. Isto ocorreu em combinação com um controle eletrônico crescentemente mais avançado do motor e seus componentes.

[006] As exigências de emissão, entretanto, se tornaram significativamente mais estritas durante a última década, e isto resultou no desenvolvimento de diferentes tipos de sistemas de pós-tratamento de escapamento. Estes sistemas reduzem as emissões depois do motor ainda adicionalmente.

[007] Um dos problemas mais difíceis é reduzir as emissões de particulados e NOx. NOx é um resultado da oxidação entre o oxigênio e o nitrogênio no ar e aumenta rapidamente com a temperatura da combustão. Combustão em altas temperaturas reduz a formação de HC, CO e particulado e contribui para diminuído consumo de combustível, mas aumenta as emissões de NOx. Métodos para Reduzir NOx

[008] As exigências para reduzir emissões de NOx a partir de pesados motores a diesel, durante os anos, se tornaram drasticamente mais estritas. Desde o primeiro padrão de emissão (Euro I 1992) até hoje em dia (Euro VI 2013), o valor limite foi reduzido com 95%.

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[009] Não tem sido possível alcançar esta redução com melhor tecnologia de combustão, em vez disto, tornou-se necessário desenvolver soluções técnicas separadas. Recirculação do Gás de escapamento (EGR)

[0010] O método é com base em que uma parte do gás de escapamento é resfriada e recirculada até a entrada de ar do motor e, então, adicionalmente para o interior do cilindro. Estes gases de escapamento reduzem a formação de NOx, já que, por um lado, a concentração de oxigênio é reduzida, e, por outro lado, já que os gases de escapamento resfriam o gás no cilindro. Isto resulta em uma temperatura da combustão diminuída na própria chama, o que reduz a formação de NOx.

[0011] O método é eficiente, mas a quantidade de escapamento recirculado deve ser controlada, dependendo da velocidade do motor e da carga. A desvantagem é que a formação de particulados frequentemente aumenta e o método contribui para carga mais alta no filtro de particulado. A tecnologia aumenta o consumo de combustível do motor um tanto. SCR – Redução Catalítica Seletiva

[0012] SCR significa que um catalisador de SCR é instalado depois do motor. Um tanque contendo uma solução de ureia é montado no veículo. A partir do tanque, a solução é pulverizada no interior do tubo de escapamento antes do catalisador. Na mistura correta, os óxidos de nitrogênio do gás de escapamento são convertidos em gás de nitrogênio e água. A injeção de ureia é controlada eletronicamente e é variada dependendo das cargas de motor e da velocidade. A redução catalítica de NOx implica uma conversão em nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) (água: H2O) pelo catalisador e um agente de redução adicionado antes do catalisador. O elemento químico de redução mais comum é amônia (NH3), normalmente, na forma de ureia. Ureia (AdBlue®) é armazenada no veículo e é convertida em amônia em conexão com a redução.

[0013] Uma exigência para que sistemas SCR operem é que as

4 / 20 temperaturas de escapamento sejam suficientemente altas. Se a temperatura de escapamento cair abaixo de cerca de 200°C, o sistema SCR não mais fica ativo, e a redução de NOx se apodera. Em cerca de 300°C, a redução é de cerca de 90-95%. Uma outra exigência é que haja oxigênio suficiente no gás de escapamento. Também há sistemas que têm injeção de ureia auxiliada por ar, o que, por um lado, atomiza a solução de ureia de forma que a pulverização seja mais atomizada e usada mais eficientemente. O método também certifica que o conteúdo de oxigênio no escapamento esteja em um nível adequado.

[0014] Além de reduzir NOx, um catalisador de SCR também reduz particulados e HC em motores a diesel. Emissões de HC podem ser reduzidas com até 80% e particulados com 20-30%.

[0015] Fazer um sistema SCR operar envolve diversos desafios técnicos. Alguns exemplos: o complicado manuseio de ureia e dosagem da mesma, a necessidade de alta temperatura para que o catalisador opere eficientemente, o controle de amônia em excesso durante condições transientes, e o tamanho do catalisador. Amônia no ar circundante pode causar particulados secundários e, por este motivo, um “catalisador de pasta de amônia” também deve ser usado. SCR pode liberar mais particulados pequenos e é, portanto, frequentemente usada combinada com um filtro de particulado. Redução de CO e Emissões de HC

[0016] As emissões de CO a partir de um motor a diesel têm causado um problema relativamente pequeno, já que um motor a diesel envolve uma combustão que ocorre com ar em excesso. As emissões de HC a partir do motor podem, entretanto, ser altas durante as fases de início e de aquecimento. Durante a operação normal, estas emissões são, normalmente, bastante baixas.

[0017] As emissões de CO e de HC são, entretanto, fáceis de reduzir

5 / 20 usando um catalisador de oxidação. Este catalisador exige um excesso de oxigênio nos gases de escapamento, e isto é somente o que um motor a diesel tem. Com a ajuda deste oxigênio, derivados de CO, HC e HC são oxidados em CO2 e vapor d’água. A fraqueza é que uma certa temperatura de escapamento é exigida a fim de que o catalisador fique ativo, e este normalmente não é o caso durante o início e o aquecimento do motor. Catalisadores de oxidação não têm efeito nas emissões totais de NOx, mas oxidam NO em NO2. Isto é útil quando o catalisador de oxidação for usado juntamente com um filtro de particulado (veja a seguir “Combinações destes sistemas”). O mesmo é frequentemente usado combinado com tecnologia EGR para reduzir emissões de hidrocarboneto. Métodos para Reduzir Emissões de Particulado

[0018] Particulados são formados na câmara de combustão do motor, e são posteriormente sujeitos a certo crescimento no tubo de escapamento por meio de partículas menores que agregam para formar partículas maiores e condensação de substâncias voláteis. As partículas que são muito pequenas usualmente consistem em carbono, combustível não comburido, óleo lubrificante, partículas de metal e compostos de enxofre. As mesmas são cancerígenas e, por meio de seu pequeno tamanho, ficam nos pulmões durante a inspiração e penetram a partir dali no interior da corrente sanguínea. As mesmas podem ser transportadas por longas distâncias. As exigências por emissões de particulado, portanto, foram reduzidas para valores muito baixos. A fim de reduzir emissões de particulado a partir de um motor a diesel, o motor é provido com um filtro de particulado que é instalado no sistema de escapamento e captura fisicamente as partículas antes dos gases de escapamento deixarem o tubo de escapamento.

[0019] Finalmente, à medida que o filtro é cheio com particulados, a resistência de fluxo passante torna-se crescentemente alta com o maior consumo de combustível como um efeito. As partículas coletadas, então,

6 / 20 precisam ser removidas do filtro durante uma assim denominada regeneração. Há, essencialmente, dois métodos para isto.

[0020] Combustão e oxidação das partículas por meio do aumento da temperatura de uma maneira controlada, de maneira tal que o carbono nas partículas seja ignificado e seja comburido.

[0021] O segundo método é com base em regeneração contínua. Tais sistemas são chamados Armadilha de Regeneração Contínua® (CRT®). Estes sistemas de filtro consistem em um catalisador de oxidação na frente de um filtro de particulado. A função do catalisador é oxidar NO em NO2. O NO2 consequentemente formado oxida o carbono cataliticamente em CO2 e N2. O catalisador também oxida emissões de HC e CO e é, desse modo, um sistema que reduz todas as emissões.

[0022] A desvantagem com este sistema é que, durante o tempo, deve haver um equilíbrio entre NO2 e o fluxo de particulado e que a temperatura de escapamento deve estar acima de cerca de 250°C a fim de que os catalisadores fiquem ativos. Se estas condições não forem satisfeitas durante o tempo, o filtro de particulado pode ficar saturado com partículas, com consumo de combustível aumentado em decorrência disto, e pode, no pior caso, ser destruído. Durante o tempo, o filtro é cheio com produtos de cinza e, então, o filtro precisa ser trocado ou limpo. Para um caminhão normal (caminhão de transporte longo de 40 Ton), isto pode ser necessário depois de cerca de 300.000 km (dependendo do uso, etc.).

[0023] Em muitas aplicações, pode ser difícil alcançar a exigência de temperatura, por exemplo, em caminhões de distribuição e caminhões de lixo com paradas frequentes, baixa velocidade e muito tempo em ponto morto. Então, um sistema ativo que aumenta a temperatura de escapamento é exigido. Um sistema comum é injetar combustível antes do catalisador, que, então, é comburido cataliticamente e aumenta a temperatura de escapamento. O problema básico com a temperatura de escapamento ser muito baixa para

7 / 20 que o catalisador fique ativo pode, entretanto, permanecer. Nestes casos, um queimador ou aquecimento elétrico do sistema pode ser adicionado.

[0024] A fim de satisfazer a legislação de emissões, os grandes fabricantes escolheram usar ou tecnologia EGR, ou tecnologia SCR ou uma combinação das mesmas. Antes de um novo investimento, é, portanto, recomendável ser informado sobre as vantagens e as desvantagens das tecnologias e analisar qual a importância as mesmas podem ter em seu próprio negócio.

[0025] As tecnologias tanto SCR quanto EGR têm suas vantagens e desvantagens.

[0026] O consumo do diesel é reduzido usando tecnologia SCR em cerca do mesmo nível que a quantidade de ureia injetada (Euro V cerca de 5%). Considerando que o preço da ureia é substancialmente mais baixo do que o preço do diesel, o custo geral do combustível para o veículo é reduzido.

[0027] Uma maneira de manter o custo para ureia baixo é ter um depósito próprio, no qual ureia é comprada em quantidades mais altas em um preço mais baixo.

[0028] Um motor EGR provavelmente exige mudanças mais frequentes do óleo lubrificante do motor do que um motor SCR devido aos gases de escapamento recirculados.

[0029] A tecnologia EGR é conhecida e provada. A mesma reduz emissões na origem, isto é, o motor. A tecnologia também é sucessivamente melhorada.

[0030] SCR é um sistema pós-tratamento ativo que exige supervisão e manutenção extras. Como um proprietário de veículo, você precisa de um outro produto para manusear a operação do veículo, e um outro sistema para manter. O peso do veículo aumenta devido ao aditivo, o que resulta em carga útil inferior para o veículo.

[0031] Um catalisador de SCR exige uma temperatura operacional

8 / 20 mais baixa de cerca de 300°C a fim de operar eficientemente. Isto pode ser difícil de alcançar, por exemplo, para veículos em tráfego na cidade, com muitas arrancadas e paradas. Quando o catalisador de SCR não estiver operando, as emissões de NOx serão equivalentes com aquelas emitidas a partir de um motor Euro I ou Euro II.

[0032] Já que o filtro de particulado coleta cinza a partir do combustível e do óleo, é vantajoso usar combustível com baixo conteúdo de cinza para aumentar a vida útil do filtro.

[0033] SCR não funciona e (EGR) não pode ser usado durante o aquecimento do motor, o que, na realidade, significa que a redução das emissões de NOx é nenhuma desde o início até que o motor tenha alcançado uma certa temperatura. O desenvolvimento dos catalisadores de SCR visa a alcançar a operação do catalisador em temperatura mais baixa, e EGR pode ser potencialmente usado (quase) diretamente desde o início. Até agora, estes objetivos não foram alcançados, entretanto. A escolha entre o sistema de redução de emissão deve ser feita levando as condições operacionais em conta a fim de obter a melhor solução ambientalmente, mas, frequentemente, base para tais considerações está ausente.”

[0034] SCR, assim, da forma supramencionada, significa que um catalisador de SCR é colocado depois do motor. Um tanque contendo uma solução de ureia é montado no veículo. A solução é pulverizada a partir do tanque no interior do tubo de escapamento antes do catalisador. Na mistura correta, os óxidos de nitrogênio do gás de escapamento são convertidos em gás de nitrogênio e água. A injeção de ureia é controlada eletronicamente e é variada dependendo da carga de motor e da velocidade. Redução catalítica de NOx implica uma conversão em nitrogênio (N2) e oxigênio (O2) (água: H2O) pelo catalisador e um agente de redução adicionado antes do catalisador. O elemento químico de redução mais comum é amônia (NH3), normalmente na forma de ureia. Ureia (AdBlue®) é armazenada no veículo e é convertida em

9 / 20 amônia em conexão com a redução.

[0035] Sistemas SCR operam apenas quando as temperaturas de escapamento forem suficientemente altas. Se a temperatura de escapamento cair abaixo de cerca de 200°C, o sistema SCR não mais fica ativo, e a redução de NOx se apodera. Em cerca de 300°C, a redução é de cerca de 90-95%.

[0036] É mencionado que as emissões de HC provenientes do motor podem ser altas durante as fases de início e de aquecimento. Durante a operação normal, estas emissões são, normalmente, bastante baixas.

[0037] As emissões de CO e de HC são fáceis de reduzir usando um catalisador de oxidação. A fraqueza é que uma certa temperatura de escapamento é exigida a fim de que o catalisador fique ativo, e este não é normalmente o caso durante o início e o aquecimento do motor.

[0038] Também é descrito anteriormente que partículas são formadas na câmara de combustão do motor, e são posteriormente sujeitas a certo crescimento no tubo de escapamento por meio de partículas menores que agregam para formar partículas maiores e condensação de substâncias voláteis. As partículas que são muito pequenas usualmente consistem em carbono, combustível não queimado, óleo lubrificante, partículas de metal e compostos de enxofre. Os mesmos são cancerígenos e por meio de seu pequeno tamanho ficam nos pulmões durante a inspiração e penetram a partir dali no interior da corrente sanguínea. Os mesmos podem ser transportados por longas distâncias. As exigências para emissões de particulado, portanto, foram reduzidas para valores muito baixos.

[0039] As emissões de particulado a partir de um motor a diesel são manuseadas usando um filtro de particulado no sistema de escapamento, o que significa que as partículas são capturadas antes que os gases de escapamento deixem o tubo de escapamento.

[0040] Finalmente, a resistência de fluxo passante torna-se crescentemente alta com consumo de combustível aumentado como um

10 / 20 efeito. As partículas, então, precisam ser removidas do filtro durante uma assim denominada regeneração. Um método é combustão e oxidação das partículas por meio de aumento da temperatura de uma maneira controlada, de maneira tal que o carbono nas partículas seja ignificado e seja comburido.

[0041] Controle de emissões é, assim, sobre reduzir emissões de NOx, CO, HC e particulado. A temperatura de escapamento determina se a redução deve ser bem-sucedido.

[0042] O problema inerente com os motores a diesel de hoje em dia é que os mesmos têm um grande fluxo de volume de ar, se comparado com o fluxo de combustível, o que significa que a temperatura de escapamento torna-se muito baixa para que o controle de emissões opere satisfatoriamente.

[0043] Motores a diesel de hoje em dia para veículos operam normalmente de acordo com o princípio de quatro cursos, em que o ar de combustão em pressão atmosférica, durante turbocompressão em uma pressão mais alta, é introduzido durante o curso de admissão sem controle por meio de, por exemplo, estrangulamento, o que significa que a pressão no final do curso de admissão, antes do curso de compressão, é pelo menos a pressão atmosférica. No final do curso de compressão, a quantidade de combustível necessária para a carga demandada é injetada e comburida, assim denominada combustão qualitativa, e os gases de combustão expandem em um curso de trabalho durante o trabalho do pistão. Durante o curso de trabalho ou no seu final, a pressão nos gases de combustão nunca pode ir abaixo da pressão atmosférica, que normalmente é cerca de 100 kPa (1 bar). Quanto mais baixa a carga de motor, mais baixa a temperatura dos gases de escapamento.

[0044] Um exemplo a seguir com base na pressão atmosférica de 100 kPa (1 bar) em temperatura do ar de 0°C (273K) e uma razão de compressão efetiva de 16,67 e, adicionalmente, sem significância para o conceito inventivo, em que combustão ocorre em volume constante no ponto morto superior do pistão, isto é, como no ciclo de Otto, que os motores a diesel de

11 / 20 hoje em dia estão aproximando, e que é relevante durante o uso de VVT e VCR em motores a diesel com a possibilidade para assim denominada combustão quantitativa. Números para temperaturas e pressões e similares são, assim, teóricos e sem a influência de perdas de calor e fricção etc., e são arredondados, mas, da forma mencionada, sem significância para o conceito inventivo.

[0045] Um pré-requisito para o exemplo a seguir é que o motor a diesel de hoje em dia durante carga completa seja suprido com combustível, o que proporciona um aumento de temperatura na massa de ar comprimido de

2.000 graus.

[0046] Consequentemente, 25% de carga em um motor a diesel de hoje em dia, de acordo com a fórmula para combustão em volume constante, resulta em um aumento de temperatura na massa de ar comprimido de 0,25 *

2.000 = 500 graus. A pressão de compressão torna-se 5.140 kPa (51,4 bar) em temperatura de 568,05ºC (841,2K) e a pressão de compressão de 8.190 kPa (81,9 bar) em temperatura de 1.068,05ºC (1.341,2K), e a pressão no gás de escapamento no final do curso de trabalho torna-se 160 kPa (1,6 bar) em temperatura de escapamento de 161,85ºC (435K), isto é, 162°C. Esta é uma temperatura na qual, por exemplo, um catalisador de SCR, em relação à Administração de Transporte Sueca de acordo com o exposto, não mais fica é ativo (temperatura abaixo de 200°C). Em cargas de motor mais baixas do que o exemplificado, a temperatura de escapamento certamente torna-se ainda mais baixa. Este exemplo confirma a causa para os problemas de controle de emissões.

[0047] Pelo aumento significativamente da temperatura de escapamento em veículos com motores a diesel durante cargas parciais, tais como, por exemplo, durante velocidades mais baixas no tráfego na cidade ou durante o tráfego com muitas arrancadas e paradas, ou durante o início de um motor frio, controle de emissões eficiente é alcançado.

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[0048] Na Patente Sueca SE1500404-7, que, pelo presente, é incorporada pela referência, VCR e VVT (aqui referidos como válvulas livremente controláveis), razão de compressão variável e sincronismo de válvula variável, respectivamente, são descritos. Um fluxo de volume significativamente reduzido do gás de escapamento em cargas parciais torna- se possível, ao mesmo tempo em que a temperatura de escapamento ainda está alta. Pelo presente, as temperaturas de escapamento exigidas para apropriada operação do catalisador são alcançadas. Sumário

[0049] O principal objetivo com a presente invenção é prover uma tecnologia adicionalmente melhorada que resolve os problemas com controle de emissões insuficiente em cargas mais baixas. Este objetivo é alcançado pela provisão do método e do dispositivo com os recursos caracterizantes indicados nas reivindicações de patente.

[0050] A presente invenção se refere a um desenvolvimento da tecnologia de combustão, um desenvolvimento que anteriormente não era possível.

[0051] A presente invenção é um desenvolvimento adicional da solução descrita em SE1500404-7.

[0052] De acordo com um primeiro aspecto da invenção, é provido um método para prover altas temperaturas de escapamento e/ou emissões diminuídas em cargas parciais do motor, o dito motor compreendendo pelo menos um cilindro com um pistão alternado, tem um volume de compressão variável (VCR), e pelo menos uma válvula de escapamento e pelo menos uma válvula de admissão, a válvula de admissão sendo provida com sincronismo de válvula variável (VVT). O sistema de controle de motor do motor a diesel pode ser configurado para, com base na necessidade atual por potência do motor, determinar quando a válvula de admissão deve abrir e fechar, e em qual tamanho o volume de compressão deve ser ajustado para que a

13 / 20 temperatura no gás de escapamento na evacuação seja suficientemente alta para a função de limpeza do presente pós-tratamento de escapamento. A invenção é distinguida em que o sistema de controle do motor controla as funções para VVT e VCR, de maneira tal que a pressão do cilindro durante o curso de trabalho, nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da dita máxima carga do motor, alcance ou caia abaixo da presente pressão atmosférica antes de ou quando o pistão alcançar o ponto morto inferior, em que a válvula de admissão é aberta quando a pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica para introduzir ar a ser misturado com gases de combustão. Isto contribui para oxidação de particulados, CO, HC e para um aumento no trabalho do motor devido ao aumento de pressão no cilindro. Em alguma extensão, um aumento de temperatura dos gases de combustão também é obtido devido à pressão aumentada.

[0053] Entende-se que prover altas temperaturas de escapamento se refere a prover temperaturas de escapamento mais altas, se comparadas com um motor a diesel convencional, isto é, temperatura de escapamento aumentada. A supradescrita pressão do cilindro que alcança ou cai abaixo da presente pressão atmosférica pode ser alcançada, por exemplo, pelo controle de VVT e VCR, de maneira tal que válvulas de admissão sejam fechadas quando a quantidade de ar de combustão tiver sido suprida que o sistema de controle do motor decidiu que é necessária para as desejadas cargas de motor (de acordo com o assim denominado ciclo de Miller anterior), enquanto, ao mesmo tempo, a razão de compressão é ajustada pelo sistema de controle do motor para melhor eficiência. As válvulas de escapamento não necessariamente precisam ser variáveis. Em modalidades, o supramencionado arranjo do sistema de controle do motor para prover temperatura suficientemente alta nos gases de escapamento na evacuação para a função de limpeza pretendida para as presentes tecnologias de pós-tratamento de escapamento também pode ser alcançado pelos ditos fechamento precoce das

14 / 20 válvulas de admissão e ajuste da razão de compressão para melhor eficiência. Alternativamente, um fechamento tardio da válvula de admissão (depois do ponto morto superior de acordo com o assim denominado ciclo de Miller posterior) pode ser usado para os mesmos propósitos.

[0054] Para além das supramencionadas vantagens com adição de ar, oportunidades para controle de emissões substancialmente mais eficiente durante evacuação inicial dos gases de escapamento emergem, já que a baixa pressão no cilindro faz com que gases de escapamento quentes fluam de volta para o interior do cilindro, o que também contribui para oxidação de particulados, CO e HC antes dos gases de escapamento serem evacuados novamente.

[0055] 25% de carga basicamente significa que introdução de ar de combustão é interrompida quando 25% do curso de entrada foi completado e que a razão de compressão efetiva de 16,67 é iniciada quando 25% do curso de compressão restar. A pressão de compressão torna-se, como exposto, 5.140 kPa (51,4 bar) em temperatura de 568,05ºC (841,2K), mas a pressão de combustão aumenta para 17.350 kPa (173,5 bar) em temperatura de

2.568,05ºC (2.841,2K), ao mesmo tempo em que a pressão nos gases de escapamento no final do curso de trabalho torna-se 50 kPa (0,5 bar) em temperatura de escapamento de 256,85ºC (530K), isto é, 257°C, em cuja temperatura um catalisador de SCR ainda fica ativo. Mas, o mais interessante é o que a temperatura torna-se durante o curso de trabalho quando a pressão passar a pressão atmosférica, aqui 100 kPa (1 bar), já que é, principalmente, nesta temperatura na qual a evacuação dos gases de escapamento é iniciada. Em 100 kPa (1 bar), a temperatura é 380,85ºC (654K), isto é, 381°C, em cuja temperatura o catalisador de SCR reduz NOx com cerca de 95%.

[0056] Na dita passagem de 100 kPa (1 bar) durante o curso de trabalho, 40% do curso de trabalho resta e, quanto mais baixas as cargas de motor, maior parte do curso de trabalho resta. Por exemplo, em 10% de carga,

15 / 20 a temperatura ainda torna-se 380,85ºC (654K), e 75% do curso de trabalho resta na passagem de 100 kPa (1 bar).

[0057] Consequentemente, esta é a possibilidade em cargas parciais do motor para criar uma pressão na combustão, pressão esta que é mais baixa do que a pressão atmosférica, o que permite que ações para controle de emissões sejam conduzidas já antes dos gases de escapamento deixarem o cilindro.

[0058] Um baixo fluxo de massa em gases de escapamento evacuados, se comparados com o fluxo nos motores a diesel de hoje em dia, provê um tempo de residência mais longo no catalisador e, desse modo, uma função de catalisador adicionalmente melhorada, que contribui para que aquele NOx formado em uma certa extensão seja reduzido em nitrogênio e oxigênio, respectivamente. Adicionalmente, uma possibilidade é criada para criar gases de escapamento quentes diretamente no início de um motor frio, com seguinte rápido aquecimento de cilindros e sistema de escapamento, o que é uma vantagem substancial, já que a ação catalítica, então, é iniciada quase instantaneamente depois do início.

[0059] Em modalidades, o ar introduzido é aquecido por um trocador de calor (Interheatertm) que, por exemplo, troca calor com gases de escapamento. Isto melhora a dita oxidação e contribui para a temperatura aumentada na mistura que é criada. A temperatura aumentada também resulta em uma temperatura de escapamento aumentada, se comparada a sem trocador de calor.

[0060] Em modalidades, introdução de ar ocorre em conexão com o início da evacuação, em que ar com alta velocidade flui para o interior do cilindro e mistura efetivamente com os gases de combustão. Isto pode, por exemplo, ser alcançado por meio de uma válvula de admissão com sincronismo de válvula variável (VVT), que é aberta ao mesmo tempo que a válvula de escapamento (que não necessariamente precisa ser variável).

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[0061] De acordo com um segundo aspecto da invenção, é provido um dispositivo para prover uma alta temperatura de escapamento e/ou emissões diminuídas em cargas parciais do motor em um motor a diesel. O motor a diesel compreende pelo menos um cilindro com um pistão alternado permitindo volume de compressão variável, VCR, e pelo menos uma válvula de escapamento e pelo menos uma válvula de admissão, a válvula de admissão sendo provida com sincronismo de válvula variável, VVT. O sistema de controle de motor do motor a diesel pode ser configurado para, com base na necessidade atual por potência do motor, determinar quando a válvula de admissão deve abrir e fechar, e em qual tamanho o volume de compressão deve ser ajustado para que a temperatura no gás de escapamento na evacuação seja suficientemente alta para a função de limpeza pretendida do presente pós-tratamento de escapamento. O sistema de controle do motor pode ser configurado para realizar o método de acordo com o primeiro aspecto da invenção. O dispositivo é distinguido em que a pressão no gás de escapamento durante o curso de trabalho é controlada pelo sistema de controle do motor, usando as funções para VVT e VCR, de maneira tal que a pressão, nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da máxima carga do motor, alcance ou caia abaixo da presente pressão atmosférica antes do pistão alcançar o ponto morto inferior, em que a válvula de admissão é aberta e ar é introduzido.

[0062] De acordo com um terceiro aspecto da invenção, é provido um motor a diesel compreendendo pelo menos um cilindro com um pistão alternado, um volume de compressão variável, VCR, e pelo menos uma válvula de escapamento e pelo menos uma válvula de admissão, a válvula de admissão sendo provida com sincronismo de válvula variável, VVT, e um sistema de controle do motor. O sistema de controle do motor é configurado para, usando as funções para VVT e VCR, controlar a pressão do cilindro nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da máxima carga do motor, de

17 / 20 maneira tal que a pressão do cilindro alcance ou caia abaixo da presente pressão atmosférica antes do pistão alcançar o ponto morto inferior, e para controlar a válvula de admissão para abrir quando a pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica, de acordo com o que, ar é introduzido. O sistema de controle de motor do motor a diesel pode ser adicionalmente configurado para, com base na necessidade atual por potência do motor, determinar quando a válvula de admissão deve abrir e fechar, e em qual tamanho o volume de compressão deve ser ajustado para que a temperatura no gás de escapamento na evacuação seja suficientemente alta para a função de limpeza pretendida do presente pós-tratamento de escapamento.

[0063] As supradescritas modalidades do método também são aplicáveis como correspondentes modalidades dos segundo e terceiro aspectos da invenção. Breve Descrição dos Desenhos

[0064] Aspectos supradescritos e ainda outros aspectos da invenção serão agora descritos com mais detalhes em relação às figuras anexas mostrando modalidades da invenção, em que a figura 1 mostra um fluxograma que ilustra uma modalidade do método de acordo com o primeiro aspecto da invenção, e a figura 2 ilustra esquematicamente uma modalidade de um dispositivo de acordo com o segundo aspecto da invenção. Descrição Detalhada

[0065] A figura 1 mostra um fluxograma que ilustra esquematicamente uma modalidade do método de acordo com o primeiro aspecto da invenção, em que o método compreende, com base na necessidade atual por potência do motor, determinar 1 quando a válvula de admissão deve abrir e fechar, e em qual tamanho o volume de compressão deve ser ajustado para que a temperatura no gás de escapamento na evacuação seja

18 / 20 suficientemente alta para a função de limpeza pretendida do presente pós- tratamento de escapamento. O método compreende adicionalmente usar o sistema de controle do motor para controlar 2 as funções para VVT e VCR de maneira tal que, nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da dita máxima carga do motor, a pressão do cilindro durante o curso de trabalho alcance ou caia abaixo da presente pressão atmosférica antes de ou quando o pistão alcançar o ponto morto inferior, em que a válvula de admissão é aberta 4 quando a dita pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da dita presente pressão atmosférica para introduzir ar que é misturado com gases de combustão. Antes do ar ser introduzido, o mesmo é aquecido 3 por meio de troca de calor com os gases de escapamento.

[0066] A figura 2 ilustra uma modalidade de um dispositivo de acordo com o segundo aspecto da invenção, mas também pode ser considerada ilustrando partes de uma modalidade de um motor a diesel de acordo com o terceiro aspecto da invenção.

[0067] O motor é, de uma maneira convencional, provido com um cilindro 11 em que um pistão 12 conectado em uma haste pistão 13 se move contra e a favor. O motor compreende adicionalmente um volume de compressão variável 14 formado na cabeça do cilindro em um cilindro secundário 15 que é aberto para baixo na direção do cilindro 11 e é provido com um pistão secundário alternado 16 que permite o volume de compressão variável (VCR). Pela mudança da posição do pistão secundário 16, o volume total acima do pistão 12 é mudado. O pistão secundário é ajustável por meio do atuador 17. Pelo menos uma válvula de escapamento 18 e pelo menos uma válvula de admissão 19 são arranjadas na cabeça do cilindro. Pelo menos a válvula de admissão é provida com sincronismo de válvula variável VVT usando o atuador 20. Na figura, a válvula de escapamento 18 é ilustrada com um atuador de uma maneira correspondente com a válvula de admissão, mas isto não é necessário. O acionamento convencional da válvula de

19 / 20 escapamento usando um eixo de cames também é possível. Diferentes tipos de atuadores adequados para usar como atuadores 17, 20 são conhecidos e, portanto, não são aqui descritos com detalhes. Um injetor 23 é arranjado para injetar combustível no volume de compressão variável 14.

[0068] O motor e o dispositivo compreendem adicionalmente um sistema de controle do motor 21 que, com base na necessidade atual por potência do motor, determina quando a válvula de admissão 19 deve abrir e fechar e, também, em qual tamanho o volume de compressão 14 deve ser ajustado para que a temperatura no gás de escapamento na evacuação, isto é, quando a válvula de escapamento 18 é aberta, seja suficientemente alta para provisão e manutenção da função de limpeza pretendida do pós-tratamento de escapamento (SCR, por exemplo). O sistema de controle do motor 21 é configurado para, usando as funções para VVT e VCR (isto é, pelo controle dos tempos de abertura e fechamento da válvula de admissão e da posição do pistão secundário 16 usando os atuadores 17, 20), controlar a pressão do cilindro para, nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da máxima carga do motor, alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica antes do pistão 12 alcançar o ponto morto inferior. O sistema de controle do motor 21 é adicionalmente configurado para, usando o atuador 20, controlar a válvula de admissão 19 para abrir quando a pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica, de acordo com o que, ar é introduzido.

[0069] Na figura, é ilustrado quando o pistão 12 está exatamente acima do ponto morto inferior, isto é, durante o final do curso de trabalho. Por meio do controle do sistema de controle do motor 21, a pressão do cilindro fica abaixo da presente pressão atmosférica neste momento. As válvulas tanto de admissão quanto de escapamento 18, 19 são abertas, de maneira tal que ar seja introduzido por meio da válvula de admissão e gases de escapamento quentes sejam introduzidos por meio da válvula de escapamento (veja as setas

20 / 20 na figura). O ar que é introduzido por meio da válvula de admissão é aquecido por meio de troca de calor com os gases de escapamento usando um trocador de calor 22 (esquematicamente ilustrado).

[0070] Quando o pistão 12 finalmente iniciar seu movimento para cima (depois do ponto morto inferior), a válvula de admissão 19 é fechada, ao mesmo tempo em que a válvula de escapamento 18 é mantida aberta para evacuar gases de combustão (durante o curso de escapamento).

[0071] A invenção não é limitada às supradescritas modalidades, mas modificações podem ser feitas no escopo das reivindicações anexas. Por exemplo, o volume de compressão variável e o sincronismo de válvula variável podem ser realizados de muitas maneiras diferentes e com muitos tipos diferentes de atuadores (pneumático, hidráulico, elétrico). O sistema de controle do motor também não necessariamente precisa ser configurado para operar exatamente como exposto. Por exemplo, a válvula de escapamento e a válvula de admissão não precisam ser abertas simultaneamente, mas a válvula de admissão pode ser aberta e fechada antes da válvula de escapamento ser aberta.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Método para prover temperatura de escapamento aumentada e emissões diminuídas em cargas parciais do motor equivalente a 25% ou menos da máxima carga do motor em um motor a diesel, o dito motor compreendendo pelo menos um cilindro com um pistão alternado, tem um volume de compressão variável, VCR, e pelo menos uma válvula de escapamento e pelo menos uma válvula de admissão, a válvula de admissão sendo provida com sincronismo de válvula variável, VVT, em que um sistema de controle do motor, com base na necessidade atual por potência do motor, determina (1) quando a válvula de admissão deve abrir e fechar, e em qual tamanho o volume de compressão deve ser ajustado para que a temperatura no gás de escapamento na evacuação seja suficientemente alta para a função de limpeza pretendida do presente pós-tratamento de escapamento, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle do motor, usando as funções para VVT e VCR, nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da dita máxima carga do motor, controla (2) a pressão do cilindro durante o curso de trabalho para alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica antes do pistão alcançar o ponto morto inferior, em que a válvula de admissão é aberta (4) quando a dita pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da dita presente pressão atmosférica para introduzir ar a ser misturado com gases de combustão.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o ar introduzido é aquecido (3) por gases de escapamento em um trocador de calor.

3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a válvula é aberta (4) para introduzir ar em conexão com iniciação da evacuação.

4. Dispositivo para prover temperatura de escapamento aumentada e emissões diminuídas em cargas parciais do motor em um motor a diesel, o dito motor compreendendo pelo menos um cilindro (11) com um pistão alternado (12) permitindo volume de compressão variável, VCR, (14) e pelo menos uma válvula de escapamento (18) e pelo menos uma válvula de admissão (19), a válvula de admissão sendo provida com sincronismo de válvula variável, VVT, em que o dispositivo compreende um sistema de controle do motor (21) que, com base na necessidade atual por potência do motor, determina quando a válvula de admissão (19) deve abrir e fechar e, também, em qual tamanho o volume de compressão (14) deve ser ajustado para que a temperatura no gás de escapamento na evacuação seja suficientemente alta para a função de limpeza pretendida do presente pós- tratamento de escapamento, e para realizar o método como definido na reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o sistema de controle do motor (21) é configurado para, usando as funções para VVT e VCR, controlar a pressão do cilindro para, nas cargas de motor equivalentes a 25% ou menos da máxima carga do motor, alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica antes do pistão alcançar o ponto morto inferior, e para controlar a válvula de admissão (19) para abrir quando a dita pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da dita presente pressão atmosférica, pela qual ar é introduzido.

5. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que compreende adicionalmente um trocador de calor (22) arranjado para elevar a temperatura do dito ar que é introduzido por meio da válvula de admissão (19) quando a dita pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da dita presente pressão atmosférica.

6. Dispositivo de acordo com a reivindicação 4 ou 5, caracterizado pelo fato de que o dito sistema de controle do motor (21) é configurado para controlar a válvula de admissão (19) de maneira tal que a mesma seja aberta quando a pressão do cilindro alcançar ou cair abaixo da presente pressão atmosférica e em conexão com a iniciação da evacuação.

7. Motor a diesel, caracterizado pelo fato de que compreende pelo menos um cilindro (11) com um pistão alternado (12), um volume de compressão variável, VCR, (14) e pelo menos uma válvula de escapamento (18) e pelo menos uma válvula de admissão (19), a válvula de admissão sendo provida com sincronismo de válvula variável, VVT, e um dispositivo como definido em qualquer uma das reivindicações 4 a 6.