BRPI0720024A2

BRPI0720024A2 - Sistemas de injeção e mistura de fluidos para dispositivos pós-tratamento de exaustão

Info

Publication number: BRPI0720024A2
Application number: BRPI0720024-2A
Authority: BR
Inventors: Markus Schuster; Ted G Gomulka; Sascha Haverkamp
Original assignee: Tenneco Automotive Operating
Priority date: 2006-12-14
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2013-12-17
Also published as: CN101563529A; US20080141662A1; WO2008076175A3; CA2667062A1; MX2009006290A; DE112007002861T5; WO2008076175A2; KR20090094457A; JP2010513773A

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "SISTEMAS DE INJEÇÃO E MISTURA DE FLUIDOS PARA DISPOSITIVOS PÓS- TRATAMENTO DE EXAUSTÃO".

Referência Cruzada ao Pedido Relacionado

Este pedido reivindica o benefício do Pedido de Utilidade U.S. Nq 11/862.293, depositado em 27 de setembro de 2007, e do Pedido Provisório N2 U.S. 60/874.921, depositado em 14 de dezembro de 2006, os quais estão aqui incorporados por referência. Campo

A presente descrição refere-se a dispositivos pós- tratamento de exaustão. Mais particularmente, a descrição diz respeito à regeneração, oxidação ou redução de emissões por tais dispositivos. Antecedentes

As declarações nesta seção fornecem meramente informações antecedentes relacionadas à presente descrição e podem não constituir a técnica anterior.

Sistemas pós-tratamento de exaustão para motores a diesel para rodovias incluirão tipicamente filtros de partículas de diesel (DPF), adsorventes NOx (LNT) e sistemas de redução catalítica seletiva (SCR) nos modelos dos próximos anos. Um fluido redutor ou oxidante regenerativo (um fluido secundário) é necessário para o apropriado funcionamento e/ou manutenção dos substratos utilizados em cada um destes dispositivos. Na maioria das aplicações, os DPFs requererão injeção de hidrocarbonetos (HC), por exemplo, Diesel combustível, para regeneração ou oxidação periódica da fuligem aprisionada no filtro. Os sistemas SCR contam com injeção de um agente redutor (tipicamente uréia) a montante de um agente catalítico, para redução de emissão de óxidos de nitrogênio. Os LNTs requerem regeneração periódica usando de gás de exaustão rico em hidrocarboneto ou monóxido de carbono, titpicamente provida através da injeção do excedente do Diesel combustível dentro da corrente exaustora. Atualmente, prática comum para injeção destes combustíveis hidrocarboneto e uréia é injetá-los no cano de exaustão a montante do dispositivo pós- tratamento. Esta injeção deve ser feita em um local, suficientemente distante, a montante do dispositivo para assegurar a adequada mistura, evaporação e/ou hidrólise do fluido injetado, tipicamente a uma distância linear de dez ou mais diâmentros de cano a montante.

As desvantagens do método convencional surgem quando os sistemas SCR, LNT1 e/ou DPF devem ser acondicionados em um espaço restrito ou acondicionados em conjuntos em um alojamento comum. Deve haver insuficiente comprimento de cano de exaustão disponível para a adequada mistura, evaporação e/ou hidrólise do fluido injetado ou o uso de suficiente comprimento de cano de exaustão resultará em inaceitável pressão traseira total para o sistema pós-tratamento. Devido às restrições de acondicionamento, podem também existir componentes pós-tratamento posicionados na trajetória do cano de exaustão que necessitam de a injeção, mistura, evaporação, e/ou hidrólise, os quais podem interferir no funcionamento adequado dos dispositivos pós-tratamento.

Portanto, pode-se perceber uma necessidade de um ajuste na técnica para facilitar a adequada mistura, evaporação e/ou hidrólise do fluido secundário injetado, onde um comprimento adequado de cano de exaustão não esteja disponível. Sumário

Os presentes ensinamentos são direcionados para encanamento auxiliar, rota de cano alternativa e dispositivos auxiliares necessários para facilitar injeção, mistura, evaporação e/ou hidrólise dos fluidos secundários necessários para sistemas pós-tratamento de exaustão de veículos. Tais fluidos secundários são, por exemplo e sem limitação, fluidos regeneradores, fluidos oxidantes ou fluidos redutores.

Em um aspecto da invenção, um cano ao longo do dispositivo pós-tratamento segue paralelo ao fluxo de exaustão. Este cano entra no dispositivo pós-tratamento pelo lado, a montante a partir do substrato do dispositivo que necessita do fluido secundário. Antes e durante a injeção, esse cano é alimentado com ar comprimido para alcançar uma pressão mais alta do que aquela no ponto onde entra o fluxo de exaustão, e para alcançar taxa de fluxo suficiente para para a adequada mistura, evaporação e/ou hidrólise do fluido secundário. No ponto em que o cano de mistura entra no fluxo de exaustão, uma válvula mantém essa pressão positiva no cano. O fluido secundário é injetado dentro deste cano e a válvula se abre conforme a necessidade.

Em um segundo aspecto dos presentes ensinamentos, um ou mais canos, paralelos ao principal cano de exaustão, entre o motor e o dispositivo de pós-tratamento, se desloca de um ponto afastado da tubulação de exaustão ou do turbocompressor, a montante da entrada da turbina, até o ponto no sistema pós-tratamento, precisamente a montante do componente que requer o fluido secundário injetado.

Em um terceiro aspecto do presente ensinamento, o dispositivo pós-tratamento de exaustão é munido de um canal ou conduto central que se estende através do substrato do dispositivo que compreende a câmara de mistura para o fluido de exaustão/secundário.

Áreas de aplicabilidade adicionais tornarão-se-ão aparentes a partir da descrição aqui fornecida. Deve ser entendido que a descrição e os exemplos específicos tem natureza meramente ilustrativa e não pretendem limitar o âmbito da presente descrição. Breve Descrição dos Desenhos

Os desenhos aqui descritos têm propósitos meramente ilustrativos, não pretendendo limitar o âmbito da presente descrição em nenhum sentido.

Os objetos e as características dos presentes ensinamentos tornar-se-ão claros a partir da leitura de uma descrição detalhada, levada em consideração associada aos desenhos, nos quais:

a figura 1 é uma vista em corte transversal de um sistema pós- tratamento de exaustão que inclui uma variedade de dispositivos pós- tratamento dentro de um simples alojamento, sistema que inclui um sistema de mistura de fluido secundário de trajetória paralela, disposta de acordo com os presentes ensinamentos;

a figura 2 é uma vista em corte transversal parcial lateral de uma primeira modalidade alternativa de um sistema pós-tratamento de exaustão disposto de acordo com os princípios da presente descrição;

a figura 3 é uma vista em corte transversal parcial de uma segunda modalidade alternativa de um sistema pós-tratamento de exaustão disposto de acordo com os princípios da presente descrição;

as figuras 4A e 4B são, respectivamente, vista tanto lateral como vista em corte transversal de extremidade do dispositivo pós-tratamento da figura 3, descrevendo um elemento de distribuição de fluido regenerativo, disposto de acordo com os princípios da presente descrição a figura 5 é uma vista em corte transversal de uma terceira

modalidade de um sistema pós-tratamento de exaustão disposto de acordo com os com os princípios da presente descrição; e

a figura 6 é uma vista em perspectiva de um dispositivo pós- tratamento de exaustão alternativo com uma câmara de mistura interna com sua carcaça externa removida e disposta de acordo com os princípios da presente descrição. Descrição Detalhada

A descrição seguinte tem natureza meremente exemplificativa e não pretende limitar a presente descrição, sua aplicação ou seus usos. Com referência à figura 1, o sistema pós-tratamento de exaustão

100 inclui um dispositivo pós-tratamento de exaustão com múltiplos propósitos que contêm diversos elementos. A entrada de exaustão para o dispositivo é mostrada pela seta 130, enquanto a saída de exaustão do dispositivo é mostrada pela seta 132. O dispositivo pós-tratamento com múltiplos propósitos compreende um primeiro catalisador de oxidação a diesel ou, substrato adsorvente NOx 102a, um substrato de redução catalítica seletivo 104, um segundo catalisador de oxidação a diesel ou substrato adorvente NOx 102b, um substrato filtrador de partículas de diesel 106 e um terceiro catalisador de oxidação a diesel ou substrato adsorbente N0x102c. Cada um destes substratos é separado por um espaço de um inter-substrato para os propósitos de receber um elemento de distribuição de fluido secundário para ser discutido abaixo. Um tubo misturador de uréia 106 se estende substancialmente paralelo ao fluxo de descarga, lado a lado com o dispositivo pós-tratamento de exaustão e recebe uma combinação de uréia e ar comprimido em uma entrada 108 para mistura dentro de uma câmara 116 do conduto 106. Uma válvula 120a introduz a mistura de ar comprimido/ureia em um primeiro elemento de distribuição de fluido regenerativo 122a localizado entre os substratos 102a e 104 e transporta uma pluralidade de perfurações ou orifícios orientadas radialmente 123 para direcionar o fluido secundário que vem do conduto 106 para a face de entrada do substrato 104. Um tubo de mistura de hidrocarboneto 110 também se estende

substancialmente paralelo ao fluxo de exaustão e recebe uma mistura de hidrocarbonetos, como combustível diesel, e ar comprimido em uma entrada 112 para mistura na câmara 118 do conduto 110. Opcionalmente, uma vela de incandescência ou outro componente térmico auxiliar 114 pode se estender para dentro da câmara de mistura 118. Uma válvula 120b é usada para medir a mistura de exaustão e fluido secundário em um elemento de distribuição 122b. Condutos 106 e 110 entram no dispositivo pós-tratamento pelo lado, a montante a partir do substrato particular que requer o fluido secundário. Antes e durante a injeção, estes canos são alimentados adicionalmente com ar comprimido para alcançar uma pressão mais alta do que aquela no ponto onde a mistura de fluido/exaustão entra no fluxo de exaustão através do dispositivo, e em um fluxo suficiente para a apropriada mistura, evaporação e/ou hidrólise do fluido secundário. No ponto onde o fluido secundário entra no fluxo de exaustão, uma válvula mantém esta pressão positiva no cano. O fluido secundário é injetado e a válvula é aberta conforme a necessidade.

Estes canos paralelos expelem a mistura de ar e fluido secundário injetado na câmara de intersubstrato do dispositivo pós- tratamento de exaustão, precisamente a montante daquele substrato para uma série de orifícios, sintonizado para fornecer o padrão de fluxo necessário sobre a face do substrato sendo tratado.

Outros dispositivos auxiliares também podem ser incorporados a esse sistema de encanamento paralelo, incluindo dispositivos térmicos para auxiliar na evaporação dos fluidos secundáros, queimadores para ajudar na regeneração dos LNTs e/ou DPFs1 e/ou dispositivos para criar perfis de fluxo turbulento ou laminar ou auxiliar na mistura do gás de exaustão e dos fluidos secundários. Alternativamente, os condutos como o 106 e o 110 podem ser fisicamente anexados à carcaça do alojamento do dispositivo pós- tratamento, de tal forma que a transferência térmica do dispositivo pós- tratamento ocorra auxiliando o aquecimento da mistura de fluido secundário/ar.

Na modalidade da figura 2, o sistema pós-tratamento de exaustão 200 utiliza encanamento auxiliar para estabeler uma corrente de fluxo de exaustão paralela na qual o fluido secundário é injetado. O motor a diesel 202 tem uma tubulação exaustora 204 que esvazia em um turbocompressor 206. A exaustão é então transportada através do cano de exaustão 208 para uma entrada 222 de um dispositivo pós-tratamento de exaustão 220. Substancialmente paralelo ao fluxo de exaustão, através do conduto 208, está um conduto 210 para transportar exaustão da mesma maneira, diretamente da tubulação de exaustão 204 ou, opcionalmente, a partir do turbocompressor 206 para uma entrada secundária 224 do dispositivo pós-tratamento 220.0 injetor 212 injeta o fluido secundário exigido dentro do fluxo da corrente de exaustão através do conduto 210 para introduzir para o dispositivo 220, na entrada 224. Essa mistura então flui através do substrato 226 do dispositivo pós-tratamento 220 e sai pela saída 228 dele para o recebimento pelo cano de descarga ou pelo cano de exaustão 230 mais adiante. Daqui é visto que o conduto 210 se estende de um local na turbulação de exaustão 204 ou de um turbocompressor 206 a montante da entrada da turbina a um ponto no sistema pós-tratamento, precisamente a montante do componente do substrato, que requer o fluido secundário injetado. O fato de o conduto 210 gerar uma pressão muito mais alta do que aquela precisamente a montante do substrato 226, asseguraria o fluxo de exaustão através do conduto 210 além do injetor 212 e através do comprimento de mistura do conduto 210. Em outra configuração possível como a apresentada na figura 3, um cano ou canos transportam gás de exaustão em uma trajetória paralela ao fluxo através de um substrato pós-tratamento, desviam dele e permitem uma razão comprimento/diâmetro suficiente para injeção e apropriadas mistura, evaporação e/ou hodrólise do fluido secundário. O sistema pós- tratamento de exaustão 300 inclui um dispositivo pós-tratamento 306 situado entre um cano de exaustão 304 e a cano de descarga 332. O fluxo de exaustão é mostrado pelas setas 302.

A exaustão entra no dispositivo 306 pela entrada 308 para uma câmara de entrada 310. A partir da câmara 310 a exaustão flui, tanto através do substrato 326, quanto através do conduto 312, substancialmente paralelo além do injetor 316, para injetar fluido secundário no fluxo de exaustão como demonstrado pela seta 322. Esta mistura flui então para dentro de uma câmara 311 do dispositivo 306 e lá flui tanto através do substrato 328 quanto de volta através de um segundo cano paralelo 314, depois de passar por um segundo injetor 318. A mistura flui como demonstrado pela seta 324, de volta a uma câmara 310 para tratamento do substrato 326. Uma vez que que essa configuração pode não necessariamente transportar gás de uma área de pressão mais alta para outra de pressão mais baixa, um dispositivo auxiliar de bombeamento 320 pode fazer parte do sistema 300 para facilitar o fluxo apropriado e mistura, evaporação e/ou hidrólise adequadas do fluido secundário.

Com referência às figuras 4A e 4B, ambas as modalidades das figuras 2 e 3 podem expelir a mistura do gás de exaustão e fluido secundário injetado em uma câmara no ponto exato a montante do componente do substrato pós-tratamento, sendo tratado através de uma série de orifícios 404 em um anel toroidal ou helicoidal 402 adjacente ao revestimento externo das câmaras. Nos casos onde a injeção é exigida em somente uma base periódica (por exemplo, LNT ou DPF regeneration), uma ou mais válvulas podem ser posicionadas no sistema para iniciar e parar o fluxo de exaustão através de cano paralelo ou canos.

Uma terceira modalidade de um sistema pós-tratamento de exaustão disposto de acordo com os princípios destes ensinamentos é descrito na figura 5. O sistema pós-tratamento de exaustão 500 inclui uma entrada de cano de exaustão 502 que possui um injetor 504 para injetar fluido secundário na corrente de exaustão entrando pela entrada 518 do dispositivo pós-tratamento 510. Nesta modalidade, a câmara de mistura está contida dentro do dispositivo pós-tratamento 510 por formar um canal para recebimento de um conduto misturador 508, o qual se estende através do substrato 512. No dispositivo particular mostrado na figura 5, a saída de exaustão 520 do dispositivo 510 é localizada na mesma extremidade que a entrada de exaustão. Uma câmara de retorno 516 recebe a mistura de gás de exaustão e fluido secundário e a força a retornar em uma direção contrária, fluindo através dos orifícios do próprio substrato dali para uma câmara da saída 514 para expulsão da saída 520.

Uma alternativa para o dispositivo pós-tratamento 510 mostrado na figura 5 é mostrada na figura 6. Na disposição da fig. 6, dois canos se estendem a partir de uma câmara na superfície frontal do substrato do dispositivo pós-tratamento, e passam através do substrato do dispositivo pós-tratamento para sua superfície traseira. Um destes canos transporta gás de exaustão através do substrato catalítico para sua superfície traseira, onde o fluxo deveria reverter e voltar através do próprio substrato. O segundo cano transportaria o gás depois que ele emergisse da superfície frontal do substrato e revertesse a direção outra vez, de volta pelo canal interno do substrato para a câmara em frente a um segundo substrato a jusante. Um exemplo seria um sistema SCR seguido por uma DPF, onde fluidos secundários devem ser injetados e misturados antes de cada dispositivo pós-tratamento. Ao transportar gás de exaustão em uma trajetória paralela ao fluxo através de um componente pós-tratamento, desviando dele e permitindo uma razão comprimento-diâmetro suficiente para injeção e apropriadas mistura, evaporação e/ou hidrólise,a disposição da figura 6 possibilita introdução apropriada do fluido secundário em situações onde isso pode ser impraticável de outra forma.

Mais uma vez, onde a injeção do fluido secundário é requerida somente em uma base periódica, uma ou mais válvulas podem ser posicionadas no sistema para fechar os injetores do fluxo de exaustão.

O dispositivo 600 da figura 6 recebe fluxo de gás de exaustão do cano de exaustão 602, fluxo representado pelas setas 604a. O conduto de entrada de exaustão 606 forma uma primeira câmara de mistura para o gás de exaustão e o fluido secundário injetado através do injetor 610 dentro do volume de entrada é definido por uma primeira divisória 608 em um lado dela. A mistura do fluido de exaustão/secundário procede então como demonstrado pelas setas 604b, descendo do conduto 606 para uma câmara de retorno na superfície a jusante do substrato 616 definido por uma segunda divisória 618. A mistura de fluido de exaustão/secundário então prossegue através das setas 604c de volta, através da estrutura do próprio substrato 616, para uma segunda área de injeção definida entre o substrato 616 e a divisória 608, onde um segundo injetor 612 injeta um fluido secundário adicional na corrente exaustora, para trazer de volta através do substrato 616, através de um segundo conduto interno 614 para uso a jusante por um dispositivo pós -tratamento adicional, localizado à esquerda da divisória 618 ,como demonstrado na figura 6. Este fluxo de saída do fluido secundário/de exaustão é mostrado pelas setas 604d. Os sistemas dispostos de acordo com os princípios da presente

descrição fornecem um pacote de vantagens onde o envelope para o sistema pós-tratamento é pequeno e uma combinação de dispositivos pós- tratamento devem ser acoplados em conjunto em uma carcaça de alojamento comum. Os sistemas de acordo com a descrição, da mesma maneira fornecem facilidade de configuração em situações nas quais o comprimento no principal cano de exaustão é insuficiente para suportar adequada mistura, evaporação e/ou hidrólise do fluido secundário. Adicionalmente, tais sistemas fornecem mais efetivas mistura e uniformidade da mistura em casos nos quais os condutos de mistura podem ser feitos com uma melhor razão entre comprimento e diâmetro e/ou uma trajetória mais direta do que o principal cano de exaustão. Ademais, é fornecida uma harmoniosa entrada de trajetória para a mistura rica em fluido secundário em uma região a montante do componente pós-tratamento sendo tratado. Finalmente, os sistemas da presente descrição permitem o uso de substratos catalíticos de maior diâmetro (para melhor uniformidade de fluxo e menor pressão traseira do sistema), os quais, em muitos casos, exigirão posicionamento conjunto dos substratos, eliminando desse modo comprimento de cano, de extremidades de cones, etc, entre os substratos, que de outra maneira seriam adequados para injeção e mistura apropriada da corrente exaustora com o fluido secundário em uso.

A invenção foi descrita com referência a modalidades apresentadas somente a título de exemplo. A invenção deve ser descrita com referência às reivindicações apropriadamente interpretadas.

Claims

1. Sistema para aplicar fluidos secundários a aparelhos de pós- tratamento veiculares, em que e sistema é caracterizado pelo fato de compreender: uma câmara de mistura acoplada para recepção de uma porção de fluxo de exaustão em uma entrada de câmara de mistura; uma fonte de fluido secundário em comunicação fluida com a câmara de mistura; e um elemento de distribuição de fluido posicionado em um conduto de fluxo de exaustão principal a montante do aparelho pós- tratamento de exaustão e acoplado a uma saída da câmara da mistura, o elemento de distribuição de fluxo, eficaz em apresentar um um padrão pré- seletivo de fluxo de fluido em direção a uma superfície a montante do aparelho de pós-tratamento.

2. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que a câmara de mistura é separada do principal conduto de fluxo de exaustão.

3. Sistema, de acordo com a reivindicação 2, em que a câmara de mistura compreende um conduto que se estende substancialmente paralelo ao conduto de fluxo de exaustão principal.

4. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que compreende adicionalmente um injetor fluido secundário para injetar, sob pressão, fluido secundário recebido da fonte de fluido secundário , dentro da câmara de mistura.

5. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que compreende adicionalmente uma válvula posicionada na saída da câmara de mistura e eficaz para seletivamente permitir e proibir comunicação de fluidos entre a câmara de mistura e o elemento de distribuição de fluido.

6. Sistema, de acordo com reivindicação 1, em que o aparelho de pós-tratamento de exaustão que compreende um um filtro de partículas e o fluido secundário compreende fluido de regeneração de filtro.

7. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositivo pós-tratamento de exaustão compreende um conversor catalítico de redução catalítica seletiva e o fluido secundário compreende uma redução.

8. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o dispositivo de pós-tratamento de exaustão compreende um adsorvente de oxido nitroso e o fluido secundário compreende um fluido regenerador de substrato conversor.

9. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que a câmara de mistura é posicionada dentro de um alojamento do aparelho pós- tratamento.

10. Sistema, de acordo com a reivindicação 3, em que a entrada da câmara de mistura é acoplada a uma tubulação de exaustão do veículo.

11. Sistema, de acordo com a reivindicação 1, em que o elemento de distribuição do fluido compreende um conduto perfurado que contêm uma série de orifícios posicionados com respeito à face a montante do aparelho de pós-tratamento, de forma a apresentar o padrão pré- selecionado.

12. Sistema, de acordo com a reivindicação 11, em que o conduto perfurado é toroidal.