BRPI0621825A2

BRPI0621825A2 - sistema de conversor catalìtico de diesel

Info

Publication number: BRPI0621825A2
Application number: BRPI0621825-3A
Authority: BR
Inventors: Andreas Hinz; Jonas Jansson; Hans Bernler; Ulrich Gobert
Original assignee: Volvo Lastvagnar Ab
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2011-12-20
Also published as: JP2009540212A; US20100064662A1; US8601796B2; ES2551703T3; EP2032812A1; EP2032812A4; EP2032812B1; CN101460720A; WO2007145548A1

Abstract

SISTEMA DE COIIVERSOR CATALìTICO DE DIESEL. A presente invenção se refere a um sistema de redução catalítica seletiva (100) para redução de níveis de emissão de óxidos nítricos a partir de um motor de ignição por compressão (110) compreendendo um primeiro injetor de redutor (210) localizado à montante de um primeiro catalisador (200) compreendendo um revestimento seletivo de redução catalítica. Em concordância com a presente invenção, um segundo injetor de redutor (310) é localizado à jusante do primeiro catalisador (200); e um segundo catalisador (300) é colocado à jusante do segundo injetor de redutor (300) e compreende um revestimento seletivo de redução catalítica, em que o primeiro catalisador (200) compreende uma função de filtro para capturar partículas formadas pela combustão de CI (ignição por compressão). A presente invenção também se refere a um método para redução de emissão de áxidos nítricos a partir de um motor de ignição por compressão (110).

Description

"SISTEMA DE CONVERSOR CATALÍTICO DE DIESEL"

CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO

A presente invenção se refere a um sistema de redução catalítica seletiva para redução de níveis de emissão de óxidos nítricos a partir de um motor de ignição por compressão, compreendendo um primeiro injetor de redutor localizado à montante de um primeiro catalisador compreendendo um revestimento de redução catalítica seletiva.

ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃO

No estado da técnica de motores a combustão, tem existido um crescimento de importância levando-se em consideração emissões, pelo menos desde os primeiros anos de 1.970. Para motores de SI (ignição por centelha), as emissões podem dificilmente ser consideradas como um problema depois que o catalisador de três vias foi colocado no mercado na metade dos anos de 1.970.

Para motores de CI (ignição por compressão), a situação é, entretanto, ligeiramente mais complicada; motores de CI possuem inerentemente altos níveis de emissões de óxidos nítricos (NOx) e partículas (fuligem). Devido para a natureza do motor de combustão em um motor de CI, uma grande quantidade de ar é nominalmente induzida para os cilindros, por intermédio dos quais o ar é comprimido. Subseqüentemente, uma quantidade de combustível variando como uma função de carga de motor é injetada para o ar comprimido. O combustível injetado irá se auto- inflamar devido à alta temperatura resultante a partir da compressão do ar.

0 combustível injetado irá queimar em um modo de difusão, isto é, a velocidade de combustão irá ser mais ou menos controlada pela taxa de misturação entre o combustível injetado e o ar comprimido. Fuligem irá se formar em zonas ricas de combustível e NOx irá se formar em zonas de combustão onde a temperatura é alta e oxigênio suficiente é deixado para formar NOx.

Um obstáculo se referindo a pós-tratamento de exaustão para redução de NOx em exaustões (exaustados) de motores CI é a presença de oxigênio; como mencionado precedentemente, uma grande quantidade de ar é induzida nos cilindros anteriormente à injeção de combustível. Portanto, existe sempre um excesso de ar nos cilindros, comparado com a quantidade de ar necessária .para dar combustão completamente a todo o combustível injetado. Um excesso de ar nas exaustões torna impossível utilizar iam catalisador de três vias padrão de maneira a reduzir emissões de NOx.

Fuligem (ou partículas) é (ou são) também um problema primordial para motores de CX; tais como formas de fuligem, como mencionadas, em zonas de combustão ricas em combustível. Altas pressões de injeção de combustível, que formam pequenas gotículas de combustível, podem reduzir formação de fuligem significativamente, mas existem limitações de projeto sobre como que alta pressão de injeção pode ser aceita.

Existem métodos para reduzir formação de NOx em motores de Cl; a maneira a mais comum é retardar (atrasar) regulagem de injeção. Por retardo de regulagem de injeção, a temperatura de combustão máxima pode ser reduzida, o que por sua vez irá diminuir formação de NOx. A formação de NOx vem a ocorrer, entretanto, com algumas penalidades severas, a saber, que tanto formação de fuligem e quanto consumo de combustível aumentam com regulagem de injeção retardada.

Uma maneira eficiente de redução de emissões de NOx é a de utilizar um sistema pós-tratamento de emissão de SCR (Redução Catalítica Seletiva - Selective Catalytic Reduction) . Um sistema de SCR comum compreende um substrato revestido com, por exemplo, zeólitos, óxidos de V (vanádio) (por exemplo, V3O5) , zeólitos de Cu (cobre) , zeólitos de Fe (ferro) ou qualquer outro material conhecido adequado para SCR. Diferentemente de conversores catalíticos de três vias para motores de SI, sistemas de SCR não podem funcionar em um ambiente consistindo somente de exaustões; algum agente adicional, por exemplo, um redutor, tem que ser adicionado para o gás de exaustão. Um tal agente comum é uréia, isto é, (NH2)3CO1 e bem como hidrocarbonetos (HC) ou hidrogênio (H2).

A eficiência de um catalisador de SCR, relacionada para o ciclo de tração, é limitada para cerca de 65 por cento - 80 por cento, e sua função é severamente prejudicada pela presença de fuligem.

Para pós-tratamento de exaustão de emissão de fuligem, um filtro é utilizado; um tal filtro, entretanto, requer regeneração em intervalos variando com condições de carga de motor. A regeneração na maior parte das vezes significa que a temperatura de exaustão é aumentada por qualquer recurso, por exemplo, por injeção de combustível extremamente retardada, uma pós-injeção, por válvula de regulagem de ar de admissão, ou por qualquer outro recurso adequado. A temperatura de exaustão aumentada possibilita que partículas de fuligem capturadas no filtro venham a "queimar", isto é, reagir com oxigênio nas exaustões para formar dióxido de carbono e água. Entretanto, cada seqüência de regeneração resulta em uma penalidade de economia de combustível.

Legislação presente e futura se referindo as emissões de NOx irão tornar virtualmente necessário combinar injeção de combustível retardada, sistemas de SCR e filtros de fuligem. Isto leva a um "circulo vicioso", ultimamente resultando em um alto consumo de combustível, o que por sua vez leva a um efeito estufa aumentado e a uma economia de direção ruim.

Se o pós-tratamento de exaustão de NOx pudesse ser aperfeiçoado, então o círculo vicioso deveria ser quebrado; a regulagem de injeção de combustível poderia ser ajustada para um ajustamento determinando uma economia de combustível mínima, a partir da qual se deveria seguir formação de fuligem diminuída, o que por sua vez deveria tornar redução de NOx mais fácil.

O objetivo da presente invenção é, conseqüentemente, o de proporcionar um sistema pós-tratamento de exaustão possibilitando um alto fator de conversão de NOx.

RESUMO DA PRESENTE INVENÇÃO

A presente invenção soluciona os problemas anteriormente mencionados e outros problemas por um segundo injetor de redutor localizado à jusante do primeiro catalisador e um segundo catalisador colocado à jusante do segundo injetor de redutor e compreendendo um revestimento de redução catalítica seletiva.

Em uma concretização da presente invenção, o primeiro catalisador compreende uma função de filtro para captura de partículas formadas pela combustão de CX. Nesta concretização da presente invenção, o primeiro catalisador poderia compreender uma multiplicidade de células alongadas com extremidades de topo e de fundo alternativamente fechadas e abertas, respectivamente, em que um fluxo de gás é forçado a passar através de paredes de célula constituindo as células, e em que o revestimento de redução catalítica seletiva é revestido em uma ou outra das, ou em ambas as, laterais das paredes.

De maneira a proporcionar adicionalmente o sistema em concordância com a presente invenção com uma capacidade de oxidação, um revestimento de catalisador de oxidação poderia ser revestido em uma lateral à montante das paredes de célula.

Para sintonia fina da quantidade de redutor a ser injetada pelos injetores de redutor, sensores sensoriando presença de óxidos nítricos e/ou amônia no gás de exaustões poderiam ser dispostos na corrente de gás de exaustão. Uma concretização do ajuste fino da presente invenção compreende colocação dos sensores à jusante da função de filtro e à jusante do segundo catalisador, respectivamente.

Uma outra concretização da presente invenção compreende exatamente um sensor para NOx e NH3 sendo colocado à jusante do segundo catalisador SCR.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO

A presente invenção irá ser adicionalmente descrita em maiores detalhes posteriormente, de uma maneira não limitante, com referência para as Figuras dos Desenhos diagramáticos acompanhantes, nos quais:

A Figura 1 é uma vista esquemática de um sistema de catalisador em concordância com a presente invenção;

A Figura 2a é uma vista de topo de uma porção de um meio de filtro que poderia ser utilizado como um catalisador, e

A Figura 2b é uma vista lateral de seção do meio de filtro mostrado na Figura 2a.

As Figuras são somente representações esquemáticas e a presente invenção não está limitada para as concretizações nelas representadas.

DESCRIÇÃO DE CONCRETIZAÇÕES DA PRESENTE INVENÇÃO

Na Figura 1, uma vista esquemática de um sistema de catalisador (100) em concordância com a presente invenção é mostrada. 0 sistema de catalisador (100) é conectado para um sistema de exaustão de um motor (110) e compreende um primeiro catalisador (200), o projeto do qual irá ser descrito posteriormente, um segundo catalisador (300), e um governador de pressão de exaustão (EPG) (400) . Além do mais, primeiro e segundo injetores de redutor (210) e (310), respectivamente, são montados à montante do primeiro catalisador (200) e à montante do segundo catalisador (300), respectivamente. 0 redutor pode, por exemplo, ser uréia, hidrocarbonetos, hidrogênio, ou qualquer outra espécie adequada com propriedades de redução. Sensores de NOx- e/ou NH3 (220, 320) são montados à jusante do primeiro e segundo catalisadores (200, 300), respectivamente. Alternativamente, ο primeiro sensor de NOx- e/ou WH3 (220) poderia ser omitido.

Ambos os catalisadores (200) e (300) são os assim chamados catalisadores de SCR (Selective Catalyst Reduction - Catalisador de Redução Seletiva), cuja função é bem conhecida por pessoas especializadas no estado da técnica e que foram brevemente descritos anteriormente na seção de estado da técnica. O catalisador (200) é, entretanto, adicionalmente proporcionado com uma função de filtro de maneira a filtrar as partículas emanando a partir do motor de Cl. Um tal catalisador é basicamente projetado como um filtro de particulado, que é revestido com um revestimento de SCR de maneira a obter uma função dupla, tanto como um filtro e quanto como um catalisador de SCR. O revestimento de SCR poderia ser proporcionado tanto sobre a lateral à montante do filtro ou quanto sobre a lateral à jusante do filtro ou ainda sobre ambas as laterais, e poderia ser qualquer revestimento adequado servindo como um catalisador de SCR.

Na Figura 2a, uma porção de meio de filtro revestido de SCR (250) constituindo o primeiro catalisador (200) é mostrada em uma vista de topo; na Figura 2b, a mesma porção do meio de filtro (250) é mostrada em uma vista de seção lateral. 0 meio de filtro (250) compreende diversas células de filtro alongadas (260), cada célula de filtro sendo definida por quatro paredes (260a, b, c e d) e tanto por uma superfície à montante (265) ou quanto por uma superfície à jusante (270); cada outra célula irá ser proporcionada com a superfície à montante, e suas células de vizinhança irão ser proporcionadas com superfícies à jusante.

As paredes (260a, b, c e d) são feitas de um material poroso, com um tamanho de poro que é suficientemente pequeno para capturar particulados emanando a partir da combustão no motor. A função do filtro é basicamente a de que gases de exaustão não filtrados irão adentrar as células de filtro com uma extremidade à montante aberta, e passar as paredes daquela célula para células com uma extremidade à jusante aberta, portanto, tendo capacidade de escapar do meio de filtro através da extremidade aberta à jusante. Aqui posteriormente, a superfície das paredes (260a, b, c e d) voltando-se para uma célula com uma extremidade à montante aberta irá ser referida como a "superfície de parede à montante", enquanto que a outra superfície de parede irá ser referida como a "superfície de parede à jusante". Um sistema de filtro tal como descrito anteriormente é freqüentemente referido como um filtro de "fluxo através de parede".

Em concordância com a presente invenção, tanto uma ou outra das, ou quanto ambas as, superfícies de parede à montante e à jusante das células são revestidas com um revestimento de SCR; isto possibilita funções duplas do primeiro catalisador, a saber, as funções de filtragem de particulados e garantia de uma reação de SCR entre NOx e redutor, de maneira a reduzir emissões de NOx. Uma tal função dupla é, evidentemente, benéfica em termos de economia de produção, mas existe também um outro benefício, a saber o de que a reação de SCR poderia auxiliar a queima de partículas retidas (entupidas) no filtro, o que deveria tornar possível prolongar os períodos entre regenerações de filtro, ou, no melhor caso, torná-las supérfluas.

Existe também uma possibilidade de utilizar diferentes revestimentos de SCR sobre as laterais à montante e à jusante das superfícies de parede (260a, b, c e d) ; diferentes revestimentos de SCR possuem diferentes regiões de temperatura onde eles possuem seus desempenhos máximos. Portanto, é possível obter um catalisador possuindo uma ampla faixa de temperatura.

Se, sob quaisquer circunstâncias, a temperatura de exaustão devesse necessitar ajustamento, isto poderia ser conseguido pelo governador de pressão de exaustão (400) ; como é bem conhecido por pessoas especializadas no estado da técnica, a temperatura de exaustão poderia ser elevada por permitir o trabalho de motor contra uma alta pressão de exaustão. A partir de um ponto de vista de economia de combustível, é, entretanto, sempre o mais benéfico rodar (funcionar) um motor em direção de uma pressão de exaustão tão baixa quanto possível.

Em uma outra concretização da presente invenção, tanto a superfície de parede à montante ou quanto a superfície de parede à jusante é revestida com um revestimento catalítico de oxidação. Este revestimento irá oxidar possíveis conteúdos de combustível, isto é, hidrocarbonetos, nas exaustões, oxidação que irá aumentar temperatura de exaustões e reduzir emissões de hidrocarbonetos para o ambiente. Em concordância com a presente invenção, a superfície de parede não revestida com revestimento catalítico de oxidação é revestida com um revestimento de SCR. Exemplos de revestimentos catalíticos de oxidação incluem vários metais nobres, por exemplo,platina (Pt), paládio (Pd), ródio (Rh), ou irídio (Ir), óxidos de metal básicos, ou misturas dos mesmos.

De maneira a queimar partículas retidas (entupidas) nos poros do filtro, poderia ser necessário elevar a temperatura de exaustão sobre um determinado período. Isto poderia ser feito de um número de maneiras, por exemplo, por injeção de combustível em uma regulagem de tempo em atraso, utilizar uma pós-injeção, por válvula de regulagem de admissão de ar, acionamento de válvula variável, recirculação de gás de exaustão, ou por qualquer outro método conhecido por pessoas especializadas no estado da técnica.

Utilização de um catalisador de oxidação possibilita elevação da temperatura de gás de exaustão por injeção de combustível na corrente de gás de exaustão à montante do catalisador de oxidação; este combustível irá queimar cataliticamente sobre o catalisador de oxidação, e portanto, aumentar a temperatura de exaustão à jusante do catalisador de oxidação. Para conseguir o máximo benefício considerando queima de partículas no catalisador (200), o revestimento catalítico é preferivelmente revestido sobre a superfície à montante das paredes de célula (260a, b, c e d).

Evidentemente, é também possível utilizar um catalisador de oxidação separado montado à montante do primeiro catalisador (200). A utilização de uma função de catalisador de limpeza, para limitação da emissão de redutor injetado, localizada à jusante do catalisador (300), é também uma prática normal para qualquer sistema de SCR, e não é, portanto, mostrada nas Figxiras. O primeiro catalisador (200) poderia também consistir de um substrato de filtro que possui menos eficiência de filtração do que uma parede através de filtro de fluxo.

0 segundo catalisador (300) poderia ser similar para o 5 primeiro catalisador (200) , mas é preferivelmente de um projeto de catalisador mais convencional.

Em ainda uma outra concretização da presente invenção, tanto o primeiro catalisador (200) e quanto o segundo catalisador (300) são de projeto convencional. Em um tal caso, um filtro de partícula (não mostrado) deveria ser montado à montante dos dois catalisadores (200, 300) . O filtro de partícula desta concretização da presente invenção tem que ser regenerado utilizando quaisquer dos métodos anteriormente mencionados.

De maneira a controlar a quantidade de redutor injetado para os gases de exaustão, os dois injetores de redutor (210, 310) são controlados pelo controlador (C) . 0 controlador (C) por sua vez obtém entrada a partir de um modelo de formação de NOx fundamentado sobre parâmetros tais como carga de motor, velocidade de motor, temperatura de ar de admissão, pressão de carga e outros parâmetros de motor dos quais f ormaçao de NOx depende. O modelo de formação de NOx determina uma estimativa grosseira da quantidade de redutor necessitada para obter uma conversão de NOx satisfatória no primeiro catalisador (200) e no segundo catalisador (300).

De maneira a adicionalmente refinar o controle da quantidade de redutor injetada para o gás de exaustão, e especialmente se o redutor é uréia ou amônia, informação a partir dos sensores de NOxZNH3 (220, 320) poderia ser utilizada para ajuste fino da quantidade de redutor sendo injetado para os gases de exaustão. Em uma concretização da presente invenção, ambos os sensores de NOx e de NH3 poderiam ser utilizados; isto determina um nível de segurança aumentado, na medida em que tanto o nível de NOx e quanto o nível de NH3 poderiam ser monitorados. Se, por exemplo, um sensor de NOx viesse a suprir um valor excessivamente alto do conteúdo de NOx nas exaustões, o que normalmente iria fazer o controlador (C) injetar quantidades excessivamente grandes de redutor, isto poderia ser evitado pela provisão de um sensor de NH3, que em um tal caso iria sinalizar presença de grandes quantidades de NH3 (originando-se a partir do redutor injetado para o gás de exaustão) nas exaustões, portanto, tornando possível para o controlador (C) corrigir a quantidade de redutor sendo injetada nas exaustões. Obviamente, se os valores a partir dos sensores de NOx e de NH3 não fizerem sentido, o controlador (C) tem que notificar o motorista, ou armazenar tal indicação de mau funcionamento em uma caixa de diagnósticos embarcada (não mostrada) para leitura posterior em uma estação de serviço.

Precedentemente, concretizações exemplificativas de um sistema de redução de NOx para um motor de CX foram mostradas. Pela eficiência do sistema, é possível rodar (fazer funcionar) um motor de CI em um modo otimizado para eficiência de combustível e baixas emissões de fuligem, na medida em que as emissões de NOx produzidas em um tal modo irão ser eficientemente reduzidas no sistema de catalisador em concordância com a presente invenção.

Precedentemente, concretizações exemplif icativas da presente invenção foram mostradas; como poderia ser compreendido pelas pessoas especializados no estado da técnica, é possível promover quaisquer derivações a partir das concretizações descritas.

Portanto, embora a presente invenção tenha sido descrita com referência para concretizações específicas, deverá ser observado por aqueles especializados no estado da técnica que a esta presente invenção não deveria ser considerada como sendo limitada para estas concretizações exemplificativas e vantajosas descritas anteriormente, mas certamente, um número de variações e de modificações adicionais é conceptível, e esta presente invenção é unicamente limitada pelo escopo e pelo espírito de proteção das reivindicações de patente posteriormente.

Claims

1. Sistema seletivo de redução catalítica (100) para redução de níveis de emissão de óxidos nítricos a partir de um motor de ignição por compressão (110), compreendendo um primeiro injetor de redutor (210) localizado à montante de um primeiro catalisador (200) compreendendo um revestimento seletivo de redução catalítica, caracterizado pelo fato de que compreende ainda: um segundo injetor de redutor (310) localizado à jusante do primeiro catalisador (200); e um segundo catalisador (300) colocado à jusante do segundo injetor de redutor (310) e compreendendo um revestimento seletivo de redução catalítica, em que o primeiro catalisador (200) compreende uma função de filtro para capturar partículas formadas pela combustão de Cl.

2. O sistema seletivo de redução catalítica (100) de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o primeiro catalisador (200) compreende uma multiplicidade de células alongadas (260), alternativamente possuindo extremidades de topo e de fundo fechadas e abertas, respectivamente, em que um fluxo de gás é forçado a passar através de paredes de célula (260 a, b, c, d) constituindo as células, e em que o revestimento seletivo de redução catalítica é revestido sobre uma ou outra das, ou sobre ambas as, laterais das paredes (260 a, b, c, d) .

3. O sistema seletivo de redução catalítica (100) de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que um revestimento catalítico de oxidação é revestido sobre uma lateral à montante das paredes de célula (260 a, b, c, d).

4. O sistema seletivo de redução catalitica (100) de acordo com qualquer reivindicação precedente, caracterizado pelo fato de que adicionalmente compreende sensores (210, -310) sensoriando presença de óxidos nítricôs e/ou amônia nas exaustões.

5. O sistema seletivo de redução catalitica (100) de acordo com a reivindicação 4, caracterizado pelo fato de que os sensores (210, 310) são colocados à jusante do primeiro catalisador (200) e à jusante do segundo catalisador (300), respectivamente.

6. O sistema seletivo de redução catalitica (100) de acordo com qualquer das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que um recurso (400) é localizado à montante de quaisquer dos componentes (210, -200, 300, 310) compreendidos no sistema de redução catalitica seletiva (100), referido recurso sendo disposto para gerenciar a temperatura, e por conseqüência, a janela de desempenho, do sistema seletivo de redução catalitica (100).

7. O sistema seletivo de redução catalitica (100) de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelo fato de que referido recurso (400) é um governador de pressão de exaustão.

8. Método para redução de emissão de óxidos nitricos a partir de um motor de ignição por compressão (110), sistema de exaustão que compreende: um primeiro injetor de redutor (210) localizado à montante de um primeiro catalisador (200) compreendendo um revestimento seletivo de redução catalítica; um segundo injetor de redutor (310) localizado à jusante do primeiro catalisador (200); e um segundo catalisador (300) colocado à jusante do segundo injetor de redutor (310) e compreendendo um revestimento seletivo de redução catalítica; em que o método é caracterizado pelo fato de que e compreende as seguintes etapas: a) captura de partículas em uma função de filtro disposta no primeiro catalisador (200); b) predição de um conteúdo de óxidos nítricos em um fluxo de exaustão à montante do primeiro catalisador (200); c) cálculo, fundamentado sobre referida predição, de uma quantidade de redutor a ser injetada à montante do primeiro catalisador (200); d) injeção de tal quantidade predita de redutor à montante do primeiro catalisador (200); e) mensuração de um nível de óxidos nítricos remanescentes na corrente de exaustão à jusante do primeiro catalisador (200) e à montante do segundo catalisador (300); f) ajustamento da quantidade injetada de redutor, conseqüentemente; g) predição, fundamentada sobre o nível de óxidos nítricos remanescentes à montante do segundo catalisador (300), de uma quantidade de redutor a ser injetada à montante do segundo catalisador (300); h) mensuração do nivel de óxidos nítricos à jusante do segundo catalisador (300); e i) ajustamento da quantidade injetada de redutor à montante do segundo catalisador (300), conseqüentemente.