BRPI0807355A2 - Método de controle para controle de um sistema de pós-tratamento de exaustão e sistema de pós-tratamento de exaustão. - Google Patents

Método de controle para controle de um sistema de pós-tratamento de exaustão e sistema de pós-tratamento de exaustão. Download PDF

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"MÉTODO DE CONTROLE PARA CONTROLE DE UM SISTEMA DE
PÓS-TRATAMENTO DE EXAUSTÃO E SISTEMA DE PÓS- TRATAMENTO DE EXAUSTÃO"
CAMPO TÉCNICO DA PRESENTE INVENÇÃO
A presente invenção se refere a um método de controle para controle de um sistema de pós-tratamento de exaustão e a um sistema de pós-tratamento de exaustão em concordância com os preâmbulos das reivindicações de patente independentes subseqüentemente.
PANORAMA DO ESTADO DA TÉCNICA DA PRESENTE INVENÇÃO
Tanto particulados de carbono e quanto óxidos de nitrogênio, tais como NO e NO2, também referidos como NOx, 15 são emissões típicas no gás de exaustão de motores a diesel. Requerimentos para redução de tais emissões aumentam (são crescentes), e apontam para várias abordagens no estado da técnica para redução de emissões. Na patente européia número EP 1 054 722 Bi, um sistema de pós- 20 tratamento de exaustão é apresentado que combina um filtro de particulado de coleta de fuligem e catalisadores de óxidos de redução de óxidos de nitrogênio no trato de exaustão. Para remoção de fuligem, NO2 é gerado por oxidação de NO em um catalisador de oxidação. Fuligem que é 25 coletada em um filtro de particulado é oxidada por NO2. Quantidades residuais de NO e NO2 no gás de exaustão são reduzidas para gás de nitrogênio em um catalisador de redução catalítica seletiva (catalisador de SCR) por injeção de amônia para o catalisador de SCR. A proporção de 30 NO2 e NO no gás de exaustão é ajustada por utilização de um catalisador de oxidação apropriado para um catalisador de SCR em particular. Por exemplo, catalisadores de oxidação de PtZAl2O3 com diferentes conteúdos de Pt produzem diferentes proporções de NO2ZNO. Para um catalisador de SCR de metal/zeólito, todo o NO deveria ser oxidado para NO2, e para um catalisador de SCR fundamentado em terra rara, uma alta proporção de NO2ZNO é desejável, enquanto que para catalisadores de SCR fundamentados em metal de transição,
misturas de gás de NO2 e NO são preferidas ao invés de gases puros ou primordialmente de NO2 ou NO.
0 projeto do catalisador de oxidação usualmente deve apresentar um compromisso entre uma queima de fuligem passiva otimizada no filtro de particulado e uma conversão 10 otimizada de NO e NO2 no catalisador de SCR. Por exemplo, em determinadas cargas de motor, somente uma quantidade insuficiente de NO é oxidada para NO2 resultando em que o filtro de particulado irá ser preenchido com fuligem e em que a eficiência do catalisador de SCR está abaixo devido a 15 um excesso de NO. Em outras cargas de motor, a formação de NO2 no catalisador de oxidação irá ser excessivamente alta resultando em um excesso de NO2 na unidade de SCR resultando em emissões de NO2 e N2O. A composição de gás de exaustão varia fortemente em diferentes cargas de motor. 0 20 processo concorrente descrito anteriormente fornece somente uma estreita faixa de satisfação simultânea de oxidação de fuligem e conversão de NOx levando-se em consideração a carga de motor e as resultantes quantidades variadas de diferentes espécies de constituintes no gás de exaustão.
É um objetivo da presente invenção o de proporcionar
um método de controle aperfeiçoado para controle de um sistema de pós-tratamento de exaustão para uma faixa mais ampla de cargas de motor e composições de gás de exaustão. É um outro objetivo da presente invenção o de proporcionar 30 um sistema de pós-tratamento de exaustão aperfeiçoado que pode manipular o gás de exaustão produzido durante uma faixa mais ampla de cargas de motor e composições de gás de exaustão.
Os objetivos são conseguidos pelas características das reivindicações de patente independentes subseqüentemente. As outras reivindicações de patente dependentes
subseqüentemente e a presente descrição apresentam concretizações vantajosas divulgadas da presente invenção.
Em concordância com um primeiro aspecto da presente
invenção, um método de controle é proposto para um sistema de pós-tratamento de exaustão de um motor em que um ou mais constituintes do gás de exaustão são oxidados em um catalisador de oxidação e um ou mais constituintes do gás 10 de exaustão são reduzidos em um catalisador de redução catalítica seletiva, em que gás de exaustão flui a partir do catalisador de oxidação para o catalisador de redução catalítica seletiva. Ao invés da expressão "catalisador de redução catalítica seletiva" algumas vezes sua abreviação 15 "catalisador de SCR" é utilizada no texto. 0 fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação é controlado dependendo de uma proporção desejada entre os constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de SCR com a proporção desejada entre os 20 constituintes; e a proporção entre os constituintes é estabelecida de maneira que em uma determinada temperatura de reação no catalisador de SCR uma reação química específica é selecionada de um grupo de possíveis reações químicas que podem acontecer entre os constituintes da 25 exaustão e o material de catalisador no catalisador de SCR, em que a reação química específica selecionada possui uma probabilidade mais alta de ser desempenhada do que cada uma única reação das outras reações químicas.
0 controle do fluxo pode ser feito de diferentes 30 maneiras, por exemplo, por utilização de um bypass (passagem secundária) fixa ou variável que circunda o catalisador de oxidação ou por mudança da velocidade espacial do fluxo de gás de exaustão no catalisador de oxidação. Geralmente, a velocidade espacial em um projeto de reator químico representa a proporção entre um fluxo volumétrico de uma alimentação e um volume de reator. A velocidade espacial indica como muitos volumes de reator de alimentação podem ser tratados em uma unidade de tempo.
Favoravelmente, a eficiência da redução catalítica seletiva dos constituintes do gás de exaustão pode ser otimizada enquanto ao mesmo tempo boas condições de operação podem ser proporcionadas para um filtro de particulado disposto entre o catalisador de oxidação e o catalisador de SCR. A região de operação onde o sistema de pós-tratamento de exaustão opera bem pode ser ampliada comparada com o sistema do estado da técnica que opera bem somente próximo para uns poucos pontos de operação do motor. 0 método possibilita um pós-tratamento de exaustão eficiente levando-se em consideração custos,
acondicionamento e durabilidade.
Em um desenvolvimento preferido do método de controle da presente invenção, o controle do fluxo do gás de exaustão pode ser conseguido por divisão do fluxo em uma primeira porção fluindo através do catalisador de oxidação e uma segunda porção fluindo através de uma linha de bypass circundando o catalisador de oxidação. Isto pode ser facilmente feito, por exemplo, por utilização de uma válvula controlável que controla a quantidade de gás de exaustão no bypass. Preferivelmente, nenhum componente catalítico, particularmente um catalisador de oxidação é proporcionado na linha de bypass. Geralmente, entretanto, um componente catalítico, particularmente um catalisador de oxidação, também pode ser proporcionado na linha de bypass.
Em um desenvolvimento preferido da presente invenção, controle do fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação pode ser conseguido por variação de uma velocidade de fluxo do gás de exaustão no catalisador de oxidação. Isto pode ser feito por utilização de um bypass interno no interior do catalisador de oxidação que possibilita variar a distribuição de fluxo para o catalisador. A distribuição de fluxo pode ser variada, por exemplo, por revestimento de partes do catalisador, por 5 conseqüência, bloqueando o catalisador contra o gás de exaustão, utilizando guias de fluxo para direcionamento do gás de exaustão e/ou por válvulas de abertura que cobrem canais de entrada e/ou de saída no catalisador de oxidação. Isto pode também ser combinado com uma distribuição não 10 uniforme do material ativo cataliticamente sobre o catalisador para adicional aumento do efeito. Geralmente, um bypass externo pode ser proporcionado combinado com a possibilidade para variar a velocidade espacial do fluxo de gás de exaustão.
Preferivelmente, a proporção pode ser estabelecida de
uma maneira que a taxa para a reação química selecionada a ser desempenhada supera a taxa para cada reação única das outras reações químicas a serem desempenhadas por pelo menos um fator de 2, preferivelmente um fator de 5, 20 particularmente preferivelmente um fator de 10. A taxa é de l/unidade de tempo (número de reações/unidade de tempo).
Particularmente, a proporção entre os constituintes é a proporção de NO2ZNO próxima de 1, e preferivelmente não excedendo 1, particularmente NO2ZNO = 0,8 ± 0,2; 25 preferivelmente NO2ZNO = 0,9 ± 0,1; o mais preferivelmente NO2ZNO = 0,95 ± 0,05. Por escolha de uma proporção próxima de 1, é possível engatilhar uma reação química rápida e altamente eficiente que reduz NO e bem como NO2 e NH3 para gás de N2 e água na presença do catalisador de SCR. A 30 reação é favorável para uma faixa ampla de temperaturas de gás de exaustão a partir de abaixo de 200 0C e acima. Outras reações químicas são possíveis dependendo da quantidade de NO2 e NO, isto é, a proporção de NO2ZNOf presente no catalisador de SCR. Estas reações, entretanto, são tipicamente mais lentas e tendem a reações competitivas produzindo NO2 e os assemelhados.
Em concordância com um desenvolvimento preferido da presente invenção, a proporção entre os constituintes pode adicionalmente ou alternativamente ser estabelecida dependendo da quantidade de fuligem que está contida em um filtro de particulado disposto entre o catalisador de oxidação e o catalisador de SCR. NO2 que é gerado no catalisador de oxidação oxida fuligem capturada no filtro de particulado. A quantidade de NO2 necessita variar com a quantidade de fuligem no filtro de particulado. Vantajosamente, a proporção entre os membros dos constituintes pode ser estabelecida dependendo da quantidade de NO2 que é gerada no filtro de particulado. O filtro de particulado pode compreender um catalisador de oxidação e, por conseqüência, produzir NO2 que se adiciona para o NO2 gerado no catalisador de oxidação.
Em concordância com um desenvolvimento adicional preferido da presente invenção, adicionalmente ou 20 alternativamente a proporção entre os constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de NO2 que é gerada no catalisador de oxidação. O catalisador de oxidação pode gerar NO2 tanto para a oxidação passiva de fuligem no filtro de particulado e quanto bem como para o catalisador 25 de redução no catalisador de SCR. O NO2 gerado no filtro de particulado é reagido de volta para NO sobre a fuligem de maneira que a quantidade de NO2 e NO formada no filtro de particulado é fortemente dependente da condição do filtro de particulado, por exemplo, da quantidade de fuligem e da 3 0 temperatura de reação, isto é, a temperatura de exaustão, em que a reação química específica selecionada possui uma probabilidade mais alta de ser desempenhada do que cada única reação das outras reações químicas.
A proporção entre os constituintes pode adicionalmente ou alternativamente ser estabelecida dependendo da quantidade de enxofre que é adsorvida no catalisador de oxidação. O catalisador de oxidação absorve enxofre em temperaturas de gás de exaustão mais baixas e libera o 5 enxofre em temperaturas acima de 350 0C. Se condições de operação do motor permitem que o catalisador de oxidação venha a absorver uma quantidade de enxofre contido no gás de exaustão, a formação de NO2 no catalisador de oxidação irá ser envenenada.
Favoravelmente adicionalmente ou alternativamente, a
proporção entre os constituintes pode ser estabelecida dependendo da quantidade de amônia que é proporcionada no catalisador de SCR. Em um catalisador de SCR, amônia está reagindo com NOx para formar nitrogênio. Em veículos uréia 15 é injetada para o gás de exaustão e pela temperatura de exaustão, uréia é termolisada e/ou hidrolisada para amônia no gás de exaustão e sobre o catalisador.
Adicionalmente ou alternativamente, a velocidade espacial do gás de exaustão no catalisador de oxidação e/ou 20 na porção de gás de exaustão que pode ser alimentada para a linha de bypass e na porção de gás de exaustão que pode ser alimentada no catalisador de oxidação pode ser controlada dependendo dos parâmetros de operação de um ou mais catalisadores dispostos no sistema de pós-tratamento de 25 exaustão. Conseqüentemente, um sensor de NOx ou NO2 pode ser substituído por um sensor virtual que utiliza um modelo do motor e o sistema de pós-tratamento de exaustão para calcular os parâmetros relevantes, particularmente o conteúdo de NO2 e NO no gás de exaustão na entrada do 30 catalisador de SCR. Preferivelmente, parâmetros são disponíveis tais como fluxo de gás de exaustão, temperaturas no catalisador de oxidação e filtro de particulado, fluxo de NO e NO2 a partir do motor, fluxo de fuligem a partir do motor e/ou carga de fuligem no filtro de particulado. Alguns dos parâmetros podem ser mensurados e outros parâmetros podem ser calculados a partir de outros sensores e parâmetros de motor.
Em concordância com -um outro aspecto da presente invenção, um sistema de pós-tratamento de exaustão compreende pelo menos um catalisador de oxidação e um catalisador de SCR dispostos em uma linha de exaustão de um motor é proposto em que:
- o fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação é controlável dependendo de pelo menos uma
proporção desejada entre um ou mais pares dos um ou mais constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de redução catalítica seletiva com a pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes;
- a pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes na entrada do catalisador de redução catalítica seletiva é estabelecida;
- uma temperatura de reação pré-determinada ou faixa de temperatura é selecionável e é estabelecida no
catalisador de redução catalítica seletiva;
- a probabilidade de que uma reação química específica de referido grupo de possíveis diferentes reações químicas entre os um ou mais constituintes do gás de exaustão e o
material de catalisador no catalisador de redução catalítica seletiva irá acontecer é aumentada por inserção do gás de exaustão para o catalisador de redução catalítica seletiva, em que referida probabilidade de reação para referida reação química específica selecionada é mais alta 30 do que a probabilidade de reação para cada uma das outras reações químicas que não são selecionadas.
Preferivelmente o sistema de pós-tratamento de exaustão compreende uma unidade de sensoriamento para controle do fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação dependendo de pelo menos uma proporção desejada entre um ou mais pares dos um ou mais constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de redução catalítica seletiva com a pelo menos uma proporção desejada 5 entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes; e pelo menos uma unidade acoplada para o catalisador de oxidação e/ou um filtro de particulado para estabelecimento de pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes na entrada do 10 catalisador de redução catalítica seletiva, em que uma temperatura de reação pré-determinada ou faixa de temperatura é selecionada e estabelecida no catalisador de redução catalítica seletiva.
Referido fluxo de controle através do catalisador de oxidação pode ser conseguido por um bypass externa que circunda o catalisador de oxidação. Uma válvula controlável pode favoravelmente variar a porção de gás de exaustão fluindo através do catalisador de oxidação e gerando um óxido, por exemplo, NO2, e a porção de gás de exaustão fluindo através da linha de bypass. Geralmente, a linha de bypass pode também ser proporcionada com um catalisador de oxidação, por exemplo, um menor ou menos eficiente, de maneira que a geração de óxido seja primordialmente desempenhada no catalisador de oxidação principal de bypass.
Alternativamente ou adicionalmente, o controle de fluxo pode ser conseguido por controle da velocidade espacial do gás de exaustão fluindo através do catalisador de oxidação. Preferivelmente, uma ou mais unidades de 30 fechamento podem ser proporcionadas com canais ou áreas fechados ou abertos no catalisador de oxidação, por conseqüência, reduzindo ou aumentando o volume de catalisador acessível para o gás de exaustão e, portanto, aumentando ou diminuindo a velocidade espacial. Um aumento em velocidade espacial resulta em uma diminuição em matéria oxidada e uma diminuição em velocidade de espaço resulta em um aumento de matéria oxidada.
Preferivelmente, um filtro de particulado pode ser disposto dentre o catalisador de oxidação e o catalisador de SCR. Fuligem capturada no filtro de particulado pode ser oxidada pela matéria oxidada, particularmente NO2l gerado no catalisador de oxidação.
Uma unidade de sensoriamento pode ser proporcionada para sensoriar a quantidade de NO2 contida na exaustão adentrando o catalisador de SCR. A unidade de sensoriamento pode compreender uma unidade de controle para controle de uma válvula de uma linha de bypass externa para o catalisador de oxidação e/ou para controle de uma ou mais unidades de fechamento no catalisador de oxidação para abertura ou fechamento de partes do catalisador de oxidação e, conseqüentemente, variação da velocidade espacial no catalisador de oxidação. A unidade de sensoriamento pode favoravelmente compreender um sensor sensível para o NO2 disposto na linha de exaustão à jusante do filtro de particulado. Opcionalmente, a unidade de sensoriamento pode compreender um dispositivo que calcula a quantidade de NO2ZNO adentrando o catalisador de SCR dependendo dos parâmetros de operação do motor e/ou dos parâmetros de operação de um ou mais catalisadores dispostos no sistema de pós-tratamento de exaustão, por conseqüência, proporcionando um sensor virtual.
Em um outro aspecto da presente invenção, um programa de computador armazenável em um meio (mídia) de leitura por computador, compreende um código de programa para utilização em um método compreendendo pelo menos as etapas de:
a) controle do fluxo de gás de exaustão através do catalisador de oxidação dependendo de pelo menos uma proporção desejada entre um ou mais pares dos um ou mais constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de redução catalítica seletiva com a pelo menos uma proporção desejada entre os -um ou mais pares dos um ou mais constituintes;
b) estabelecimento da pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes na entrada do catalisador de redução catalítica seletiva;
c) seleção de uma temperatura de reação pré- determinada ou faixa de temperatura e estabelecimento da mesma no catalisador de redução catalítica seletiva;
d) aumento da probabilidade em que uma reação química específica de referido grupo de possíveis diferentes reações químicas entre os um ou mais constituintes do gás de exaustão e o material de catalisador no catalisador de redução catalítica seletiva irá acontecer por inserção do gás de exaustão para o catalisador de redução catalítica seletiva, em que referida probabilidade de reação para referida reação química específica selecionada é mais alta do que a probabilidade de reação para cada uma das outras reações químicas que não são selecionadas.
BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS DA PRESENTE INVENÇÃO
A presente invenção juntamente com os anteriormente mencionados e outros objetivos e vantagens pode ser mais bem compreendida a partir da descrição em maiores detalhes posteriormente com referência para os Desenhos das Figuras acompanhantes que mostram concretizações da presente invenção, mas não restrita para estas concretizações, em que é mostrado esquematicamente:
Figura 1 uma primeira concretização de um sistema de pós-tratamento de exaustão em concordância com a presente invenção;
Figura 2a, 2b uma segunda concretização de um sistema
de pós-tratamento de exaustão em concordância com a presente invenção com uma velocidade espacial variável de um gás de exaustão em um catalisador de oxidação em diferentes modos de operação;
Figura 3 um detalhe de um catalisador de oxidação preferido combinado com uma unidade de fechamento preferida;
Figura 4 proporções dependentes de temperatura de NO2ZNOx com carga de fuligem e carga de enxofre diferente; e Figura 5 uma terceira concretização de um sistema de pós-tratamento de exaustão em concordância com a presente invenção combinando uma velocidade espacial variável de um gás de exaustão e uma linha de bypass.
Nos Desenhos, elementos iguais ou similares são referidos para iguais numerais de referência. Os Desenhos são meramente representações esquemáticas, não intencionadas para representar parâmetros específicos da presente invenção. Além do mais, os Desenhos são intencionados para delinear somente concretizações típicas da presente invenção e, conseqüentemente, não devem ser considerados como limitativos do escopo da presente invenção que não está limitada para as concretizações neles representadas. DESCRIÇÃO DETALHADA DA PRESENTE INVENÇÃO
A Figura Iea Figura 2a, 2b representam concretizações preferidas de um sistema de pós-tratamento de exaustão (10) em concordância com a presente invenção. Em ordem sucessiva um catalisador de oxidação (20) , um filtro de particulado (60) e um catalisador de SCR (70) são dispostos em uma linha de exaustão (14) de um motor (12).
Para todas as concretizações mostradas, o catalisador de oxidação (20) pode ser tipicamente revestido com um material cataliticamente ativo e é proporcionado para oxidar um ou mais constituintes do gás de exaustão, tais como hidrocarbonetos (HC), monóxido de carbono (CO), e monóxido de nitrogênio (NO). A eficiência da oxidação depende da temperatura de reação, isto é, a temperatura de exaustão, da velocidade espacial do fluxo de gás de exaustão no catalisador de oxidação (20) e da composição de gás de exaustão. A temperatura na linha de exaustão (14), isto é, no catalisador de oxidação (20), no filtro de particulado (60) e no catalisador de SCR (70) pode ser controlada com mensurações (não mostradas) conhecidas no estado da técnica, tal como injeção de HC no gás de exaustão, pós-injeções tardias no motor (12), proporcionando um queimador catalítico ou de chama e os assemelhados, por exemplo, para proporcionar regeneração do filtro de particulado (60), controlando a atividade do catalisador de oxidação (20) e conseguindo temperaturas favoráveis no catalisador de redução catalítica (SCR) no catalisador de SCR (70). Adicionalmente, injeção de HC pode ser utilizada para controlar o conteúdo de NO2 no sistema de pós-tratamento de exaustão (10).
0 catalisador de oxidação (20) é preferivelmente utilizado para gerar uma quantidade suficiente de NO2 para oxidação passiva de fuligem capturada no filtro de particulado (60) em concordância com a reação: NO + Yz O2 —> NO2.
A função principal do filtro de particulado (60) é a de capturar matéria de particulado tais como fuligem e cinzas contidas no gás de exaustão. Um sistema de pós- tratamento de exaustão veicular típico (10) requer de um até diversos 100.000 Km de rodagem para encher o filtro de particulado (60) com cinzas, e o filtro de particulado (60) pode ser esvaziado a partir de cinza por desmontagem do filtro de particulado (60) na manutenção. Para encher o filtro de particulado (60) com fuligem se requer somente de um a diversos 1.000 Km de rodagem. Entretanto, a fuligem pode ser queimada para CO2 o que pode ser feito durante operação do veículo.
Para algumas aplicações pode ser benéfico revestir o filtro de particulado (60) com um material cataliticamente ativo incluindo as propriedades de um catalisador de oxidação para o filtro de particulado (60) como apresentado no pedido de patente internacional número WO 2002/14657 Al. Para função apropriada do filtro de particulado (60) é recomendado controlar a quantidade de fuligem capturada no filtro de particulado (60). Regeneração do filtro de particulado (60) pode ser cumprida de várias maneiras conhecidas no estado da técnica. Preferivelmente, NO2 pode ser utilizado para oxidação passiva da fuligem capturada em concordância com a reação:
2 NO2 + C —> 2 NO + CO2.
Para uma regeneração passiva eficiente é necessário estabelecer a temperatura de gás de exaustão acima de um limite crítico, preferivelmente acima de 250 0C, e para proporcionar uma quantidade adequada de NO2. A quantidade de NO2 no gás de exaustão alimentada para o filtro de particulado (60) pode ser aumentada pelo catalisador de oxidação (20) por oxidação de NO para NO2. Dependendo das emissões de fuligem e NOx (NOx = NO, NO2) do motor (12), a queima passiva de fuligem pode manter o nível de fuligem no filtro de particulado (60) baixo em temperaturas de exaustão acima de 250 0C. Para algumas 5 emissões de motor, entretanto, a proporção de NOx/fuligem é excessivamente baixa para queima da fuligem por NO2. Alternativamente para a queima passiva de fuligem, a fuligem pode ser removida por queima da mesma por oxigênio em altas temperaturas, preferivelmente em torno de 600 0C. 10 Isto pode ser conseguido tanto por provisão de um queimador no sistema de pós-tratamento de exaustão (10) ou quanto por adição de combustível para o gás de exaustão que é queimado sobre um catalisador de oxidação à montante do filtro de particulado (60). Ativação do queimador ou adição de 15 combustível é feita em uma fase de regeneração que tipicamente está na faixa de um a três quartos de uma hora.
À jusante do filtro de particulado (60) e à montante do catalisador de SCR (70), o gás de exaustão contém um ou mais constituintes como NO e NO2, que podem ser desoxidados no catalisador de SCR (70) .
A tarefa principal do catalisador de SCR (70) é a de reduzir NOx, isto é, NO e NO2, com um redutor para gás de nitrogênio N2 e água H2O. Sobre o catalisador de SCR (70), amônia NH3 reage com NOx para formar nitrogênio. Usualmente, 25 em veículos, uréia é injetada para o gás de exaustão, e pela temperatura de gás de exaustão, uréia é termolisada ou hidrolisada em NH3 no gás de exaustão e no catalisador de SCR (70) . 0 redutor, por exemplo, NH3 ou uréia, é adicionada para o gás de exaustão à montante do catalisador 30 de SCR (70), por exemplo, por um injetor (62) [indicado por uma flecha larga à montante do catalisador SCR (70)]. A eficiência do catalisador de SCR (70) é fortemente dependente da temperatura de gás de exaustão, da velocidade espacial do gás de exaustão e da proporção NO2ZNO no gás de exaustão que adentra o catalisador de SCR (70).
Dependendo da espécie de NOxi existem três reações químicas principais possíveis:
(a) 4 NO + 4 NH3 + O2 -> 4 N2 + 6 H2O
(b) NO + NO2 + 2 NH3 2 N2 + 3 H2O (C) 6 NO2 + 8 NH3 -> 7 N2 + 12 H2O
A reação (b), isto é, o gás de exaustão contém NO2 e NO em quantidades iguais ou pelo menos quase iguais, possui a eficiência a mais alta e é eficiente a partir de temperaturas de exaustão abaixo de 200 0C e acima. A reação (a), isto é, NOx no gás de exaustão consiste primordialmente de NO, se torna eficiente em 300 0C, e para a reação (c), isto é, NOx no gás de exaustão consiste primordialmente de NO2, a eficiência é menor do que para a reação (a) no catalisador de SCR fundamentado em vanádio enquanto é sobre o catalisador fundamentado em zeólito mais eficiente do que reação (a), mas não tão eficiente quanto a reação (b). Adicionalmente, sobre catalisadores fundamentados em zeólito, uma reação competitiva desfavorável para a reação (c) existe, que é geração do gás estufa de N3O:
(d) 4 NO2 + 4 NH3 -> 2 N2O + 2 N2 + 6 H2O
Portanto, para alta eficiência uma proporção NO2ZNOx de 0,5 (isto é, proporção de NO2ZNO de 1) no catalisador de SCR (70) é vantajosa, enquanto que uma proporção mais alta de NO2ZNO deveria ser evitada devido para a eficiência a mais baixa no catalisador de vanádio ou para evitar formação de N2O se um zeólito é utilizado. Adicionalmente, a regeneração passiva do filtro de particulado (60) se beneficia a partir de uma alta concentração de NO2. Conseqüentemente, a proporção ideal de NO2ZNO é de 1, de maneira que uma proporção pelo menos próxima de 1 é favorável e preferivelmente não excedendo 1, isto é, particularmente uma proporção é escolhida de NO2ZNO = 0,8 í 0,2; preferivelmente NO2ZNO = 0,9 ± 0,1; o mais preferivelmente NO2ZNO = 0,95 ± 0,05. Se a proporção NO2ZNO é próxima de 1, então a reação (b) possui a probabilidade a mais alta de ser desempenhada.
Como pode ser observado na Fignra 4, a formação de NO2 irá depender do fluxo de massa de gás de exaustão e da temperatura do catalisador de oxidação (20). A Figura 4 ilustra a proporção NO2ZNOx como uma função da temperatura de reação no catalisador de oxidação (20) à jusante do catalisador de oxidação (20) e do filtro de particulado (60). Paralelamente à dependência de fluxo e temperatura, o catalisador de oxidação (20) adsorve enxofre, que pode estar contido no gás de exaustão, em temperaturas mais baixas e libera o enxofre em temperaturas acima de 350 0C. Se condições de rodagem deixam o catalisador de oxidação (20) adsorver uma quantidade de enxofre, a formação de NO2 irá ser envenenada. 0 conteúdo de NO2 depois do filtro de particulado (60) irá também depender da condição do filtro de particulado (60) . O filtro de particulado (60) pode possuir um catalisador de oxidação revestido de maneira que existe uma formação de NO2 lá também. Então, NO2 está reagindo de volta para NO sobre a fuligem e que irá depender da quantidade de fuligem no filtro de particulado (60) e da temperatura.
Particularmente, a curva (A) ilustra a dependência de temperatura da proporção NO2ZNOx com uma baixa carga de fuligem no filtro de particulado (60), indicando um máximo de cerca de 0,75 entre 250 0C e 300 0C. A curva (B) representa um alto fluxo de exaustão e baixa carga de fuligem indicando um máximo inferior de cerca de 0,6 em uma temperatura mais alta de cerca de 300 0C do que a curva (A) . A curva (C) representa uma alta carga de fuligem no filtro de particulado (60), indicando um máximo ainda mais diminuído próximo de 0,5 em uma temperatura menor de cerca de 250 0C comparada com a curva (A) e a curva (B), e a curva (D) representa uma baixa carga de fuligem e envenenamento de enxofre do catalisador de oxidação (20) , indicando um máximo baixo de cerca de 0,5 em uma temperatura mais alta entre 300 0C e 400 0C comparada com a curva (A), a curva (B) e a curva (C).
Quando se dá partida ao motor (12), não existe nenhuma carga de fuligem no começo e, conseqüentemente, não existe nenhuma fuligem queimada no filtro de particulado (60) . Entretanto, fuligem é emitida pelo motor (12) e uma torta de fuligem de filtro começa a se construir no filtro de particulado (60). A torta de fuligem de filtro é construída até uma espessura que corresponde para um equilíbrio onde a taxa na qual fuligem é coletada é igual para a taxa de fuligem reagindo com NO2. Em cargas mais altas, com temperaturas de exaustão tipicamente mais altas, esta reação anda mais rápida, o que significa que a quantidade de fuligem no filtro de particulado (60) é menor do que em cargas menores. 0 tempo para alcançar equilíbrio está na faixa de minutos até horas. Por exemplo, indo a partir de uma carga baixa, por exemplo, uma hora de rodagem em cidade, para uma carga alta, o que significa que a torta de filtro é muito mais fina no começo da fase de carga alta do que depois da metade de uma hora de rodagem.
Favoravelmente, o método de controle preferido pode inerentemente considerar a carga de fuligem no filtro de particulado (60) e bem como a carga de enxofre no catalisador de oxidação (20).
Preferivelmente, a proporção NO2ZNO é mantida em um valor pré-determinado para variação de condições de carga do motor (12). Preferivelmente, a proporção é escolhida próxima de 1, e preferivelmente não excedendo 1, por exemplo, NO2ZNO = 0,8 ± 0,2; preferivelmente NO2ZNO = 0,9 ±
0,1; o mais preferivelmente NO2ZNO = 0,95 ± 0,05. Isto pode ser preferivelmente feito por controle do fluxo através do catalisador de oxidação (20) em uma maneira, particularmente, com a ajuda de um sensor de NO2, para deixar fluxo de gás de exaustão suficiente através da linha de bypass (22) de maneira que a proporção NO2ZNOx não excede
0,5 (isto é proporção NO2ZNO não excede 1) antes de adentrar o catalisador de SCR (70). Desta maneira, a oxidação de
fuligem passiva (C + 2 NO2 —> CO2 + 2 NO) pode ser conseguida e bem como a reação a mais rápida e a reação a mais seletiva de SCR (2 NH3 + NO + NO2 2 N2 + 3 H2O)
é maximizada e as reações mais lentas e não seletivas (por exemplo, 3 NO2 + 4 NH3) são minimizadas, o que irá minimizar as emissões de NO2 e N2O. Preferivelmente a proporção desejada de NO2ZNO não excedendo 1 é estabelecida de maneira que a probabilidade para que a reação química selecionada (b) venha a ser desempenhada superando a probabilidade de ser desempenhada para cada reação única das outras reações químicas. Na medida em que esta reação também possui uma alta eficiência, se ambos os constituintes NO2 e NO estão presentes, particularmente com uma proporção de NO2ZNO próxima de 1, esta reação irá ser automaticamente engatilhada em uma alta taxa. A taxa de reação corresponde para a probabilidade da reação química em particular que é também aumentada.
0 controle pode ser favoravelmente conseguido com a ajuda de um sensor de NO2 (50) colocado à jusante do filtro de particulado (60) como mostrado na Figrura 1. Opcionalmente, o sensor de NO2 (50) pode ser colocado à jusante do catalisador de SCR (70) proporcionando uma resposta mais lenta. 0 sensor de NO2 (50) pode ser substituído por um sensor virtual que calcula o conteúdo de NO2 a partir de parâmetros disponíveis tais como fluxo de exaustão, temperaturas em catalisador de oxidação (20) e filtro de particulado (60), fluxo de NO e NO2 a partir do motor (12), fluxo de fuligem a partir do motor (12) e carga de fuligem em filtro de particulado (60). Alguns dos parâmetros podem ser mensurados e alguns calculados a partir de outros sensores e parâmetros de motor.
O método de controle preferido pode mudar o fluxo através do catalisador de oxidação (20), por exemplo, por mudança dos conjuntos de válvula de uma linha de bypass (22) dependente dos sinais de sensor de NO2 e NOx com, por exemplo, um controle de PID padrão (PID = Proportional- Integral-Derivative). Um ciclo de controle de circuito (Ioop) aberto pode ser utilizado por construção de um mapa de quatro dimensões fundamentado sobre fluxo de massa de gás de exaustão, temperatura em catalisador de oxidação (20), conteúdo de enxofre no catalisador de oxidação (20) e carga de fuligem no filtro de particulado (60) como parâmetros de entrada. O mapa de quatro dimensões pode ser construído fundamentado sobre as tais curvas como mostradas na Figura 4, por exemplo. Entretanto, os dois parâmetros de carga de fuligem e de conteúdo de enxofre para um sensor (50) deveriam ser calculados de uma maneira similar como aquela para o sensor virtual.
Um sensor de NOx virtual é um modelo especialmente complexo e consiste preferivelmente dos seguintes sub modelos que são determinados em quotas:
nNOx de saída de motor":
A quantidade de NOx na saída do motor pode ser estimada por um sensor ou um modelo com as seguintes entradas, por exemplo: carga ou quantidade de combustível, tempo de regulagem para injeção de combustível, velocidade de motor, pressão de ar de entrada, temperatura de ar de entrada, quantidade de EGR [EGR = Exhaust Gas Recycling 5 (recirculação de gás de exaustão) ] e umidade de ar de entrada. Estes são parâmetros do motor e valores sensoriados. Existem diversas maneiras de construir o modelo. Ele pode ser fundamentado em mapa onde todos ou pelo menos alguns dos parâmetros relevantes são, ou podem 10 ser, corrigidos por fatores de correção estabelecidos no mapa. Ele também pode ser um modelo construído em uma rede neural como base.
"Fluxo de gás de exaustão":
O fluxo de gás de exaustão pode ser mensurado, ou
derivado a partir do fluxo de ar de entrada mensurado e da quantidade de combustível, ou a partir do fluxo de ar de entrada calculado a partir da velocidade de motor, pressão de ar de entrada, temperatura de ar de entrada, quantidade de EGR e eficiência volumétrica do motor.
"Fluxo de gás de exaustão em catalisador de oxidação":
O fluxo de gás de exaustão no catalisador de oxidação (20) pode ser mensurado ou calculado a partir da abertura de válvula.
"Temperatura e catalisador ":
A temperatura no catalisador pode, por exemplo, ser mensurada à montante do catalisador de oxidação (20) . Por 30 aplicação de um filtro de sinal apropriado o valor mensurado juntamente com o fluxo de gás de exaustão para o catalisador de oxidação (20) como um parâmetro pode representar a temperatura de catalisador efetiva. Alternativamente, a temperatura pode ser calculada por utilização de um balanço de calor simples.
"Enxofre em catalisador de oxidação
0 conteúdo de enxofre no catalisador de oxidação (20)
é preferivelmente calculado. Por exemplo, o cálculo pode ser derivado a partir dos parâmetros em parênteses: (conteúdo de enxofre em catalisador) = (conteúdo de enxofre em catalisador um segundo antes) + (enxofre adsorvido a partir de exaustão durante um segundo) - (enxofre desorvido 10 durante um segundo). 0 parâmetro "enxofre adsorvido a partir de exaustão durante um segundo" é o conteúdo de enxofre no combustível e óleo de lubrificação consumido durante o referido segundo multiplicado com um fator, em que o fator está entre Oele possui uma dependência de 15 temperatura que pode, por exemplo, ser derivada a partir de um mapa contendo valores dependentes de temperatura do fator. 0 parâmetro "enxofre desorvido durante um segundo" é o conteúdo de enxofre no catalisador de oxidação (20) um segundo antes multiplicado com um outro fator dependente de 20 temperatura que pode ser entregue da mesma maneira como o primeiro fator descrito anteriormente.
"Formação de NO2 em catalisador":
A formação de NO2 no catalisador de oxidação (20) pode 25 ser derivada a partir de interpolação em um mapa em 3D (três dimensões) fundamentado sobre os parâmetros de fluxo de gás de exaustão, temperatura em catalisador e conteúdo de enxofre. Ela pode também ser calculada utilizando um modelo físico com conteúdo de enxofre, temperatura, fluxo 30 de gás de exaustão e concentração de oxigênio como parâmetros de entrada. 0 modelo pode ser, por exemplo, uma taxa de formação de NO2 específica que é Iz1 · Cno * C0s e uma taxa de decomposição de NO2 que é k2 · CN02, onde (Ic1) e (k2) são parâmetros dependentes de temperatura e dependentes de conteúdo de enxofre e (C) é a concentração de NO, NO2 e O2, respectivamente. A taxa específica é integrada sobre o volume de catalisador. Se existir uma faixa ampla do conteúdo de HC na área de trabalho do motor ou se um injetor de HC é utilizado, então o nível de HC é também um parâmetro de entrada para o modelo, por exemplo, como um denominador para as taxas específicas (1 + Ka · Chc) . Ka é uma constante de equilíbrio (dependente de temperatura).
"Saída de NO2 a partir do filtro de particulado";
A quantidade de NO2 que é liberada a partir do filtro de particulado (60) é a diferença entre a quantidade de NO2 alimentada para o filtro de particulado (60), NO2 formado no filtro de particulado (60) (que é zero se nenhuma camada catalítica é proporcionada no filtro de particulado (60) para geração de NO2) e NO2 consumido por fuligem no filtro de particulado (60) . NO2 formado no filtro de particulado (60) pode ser calculado da mesma maneira como o NO2 formado no catalisador de oxidação (20) (ver acima), preferivelmente por um modelo físico. NO2 consumido por fuligem no filtro de particulado (60) é proporcional para a quantidade de fuligem no filtro de particulado (60) e pode ser expresso como uma taxa específica k3 · Cno2 · Cfuiigem· Novamente, (k3) é um parâmetro dependente de temperatura e (C) é a concentração específica de NO2 e fuligem.
"Carga de fuligem em filtro de particulado";
A carga de fuligem em filtro de particulado (60) pode ser derivada a partir de uma queda de pressão mensurada sobre o filtro de particulado (60) e/ou por aplicação de um modelo: (fuligem no filtro de particulado (60) em um tempo corrente) = (fuligem no filtro de particulado (60) em um tempo antes do tempo corrente) + (fuligem emitida pelo motor durante o tempo corrente) - (fuligem queimada por NO2 durante o tempo corrente). Fuligem queimada por NO2 durante o tempo corrente é determinada pelo modelo de "filtro de particulado a partir de saída de NO2", fuligem emitida pelo motor durante o tempo corrente é determinada a partir de um sensor de fuligem ou um modelo similar como o modelo de nNOx de saída de motor". A utilização de uma queda de pressão para cálculo de uma quantidade de fuligem no filtro de particulado (60) pode introduzir alguns erros devido ao fato de que a característica de fuligem está mudando com o tempo. Conseqüentemente, é preferido utilizar um modelo para cálculo da carga de fuligem e utilização da queda de pressão como uma verificação qualitativa do modelo.
Por controle do fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) dependendo da proporção desejada entre os constituintes, particularmente a proporção NO2ZNO1 e por estabelecimento da proporção entre os constituintes de maneira que em uma determinada temperatura de reação no catalisador de SCR (70) uma reação química específica, particularmente a reação (b) é selecionada de um grupo de possíveis reações químicas (a.), (b) , (c) , que podem acontecer entre os constituintes do gás de exaustão e o material de catalisador no catalisador de SCR (70), uma remoção eficiente de NO, NO2 e - ao mesmo tempo - de fuligem é conseguida.
Referindo-se agora para a Figura 1 que representa uma concretização preferida em concordância com a presente invenção, um primeiro dispositivo de controle de fluxo é proporcionado de maneira a controlar o fluxo de gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20). 0 dispositivo de controle de fluxo é projetado como uma válvula controlável (30) que controla o fluxo de gás de exaustão por divisão do mesmo em uma primeira porção adentrando o- catalisador de oxidação (20) e uma segunda porção adentrando para uma linha de bypass (22). Ambas as porções de fluxo são misturadas novamente à montante do filtro de particulado (60). A linha de bypass (22) é proporcionada externa ao catalisador de oxidação (20) através da qual gás de exaustão pode circundar o catalisador de oxidação (20). A linha de bypass (22) começa em um primeiro ponto de ramificação (16) à montante do catalisador de oxidação (20) e termina em um segundo ponto de ramificação (18) à jusante do catalisador de oxidação (20) .
O fluxo de gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) é controlável dependendo de uma proporção desejada entre membros dos constituintes do gás de exaustão, particularmente entre NO2 e NO. Uma proporção pré-determinada de NO2ZNO é mantida sobre as variações de operação do motor (12). Adicionalmente, em concordância com uma outra concretização favorável da presente invenção (não mostrada), um catalisador de oxidação pode ser proporcionado na linha de bypass (22) (Figura 1) , por conseqüência, possibilitando variar a velocidade espacial da disposição.
Referindo-se agora de volta para a Figura 4, por intermédio de ponto de exemplo (Al) de curva (A) se indica uma condição estacionária em uma alta carga de motor com ■uma baixa carga de fuligem no filtro de particulado (60) de cerca de 350 0C. Possuindo uma fina torta de filtro se corresponde para o ponto (Cl) na curva (C). Um método de controle fundamentado somente em temperatura não se leva em consideração a grande diferença na quantidade de NO2 disponível. A linha de bypass (22) deveria ser aberta para
reduzir o conteúdo de NO2 com aproximadamente fá do gás de
exaustão em bypass dentro de um minuto em concordância com uma escala de tempo típica para a variação de temperatura do catalisador de oxidação (20). Entretanto, durante este um minuto, a carga de fuligem no filtro de particulado (60) não sofreu muita mudança, de maneira que a proporção NO2ZNO deveria ser muito menor do que a proporção preferida. Considerando a influência do envenenamento de enxofre do catalisador de oxidação (20) [curva (D)}, se o método de controle devesse somente levar em consideração a temperatura, a quantidade de NO2 deveria ser tão baixa que sob condições de equilíbrio, uma espessa torta de filtro poderia ser construída que poderia se tornar crítica para o filtro de particulado (60) . Favoravelmente, o método de controle preferido inerentemente pode levar em consideração a escala de tempo para a mudança da carga de fuligem no filtro de particulado (60) e bem como a influência de enxofre no catalisador de oxidação (20).
Entre o filtro de particulado (60) e o catalisador de SCR (70), uma unidade de sensoriamento (40) é proporcionada para sensoriamento da quantidade de NO2 contida na exaustão adentrando o catalisador de SCR (70). A unidade de sensoriamento (40) compreende um sensor sensível ao NO2 (50) disposto na linha de exaustão (14) à jusante do filtro de particulado (60) e uma unidade de controle (42) conectada para o sensor sensível ao NO2 (50) e a válvula (30) por intermédio de linhas de dados (48) e (46), respectivamente. Opcionalmente, um dispositivo (44) pode ser acoplado a unidade de controle (42) para calcular a quantidade de NO2 adentrando o catalisador de SCR (70) dependendo dos parâmetros (66), tais como parâmetros de operação do motor (12) e/ou dos parâmetros de operação de um ou mais catalisadores (20, 60, 70) dispostos no sistema de pós-tratamento de exaustão (10) como descrito anteriormente.
A Figura 2a e a Figura 2b descrevem uma outra concretização preferida da presente invenção em que o controle do fluxo através do catalisador de oxidação (20) é substituído por variação da velocidade espacial do gás de exaustão dentro do catalisador de oxidação (20). A configuração global do sistema de pós-tratamento de exaustão (10) é a mesma como descrita na Figura I. De maneira a evitar repetições desnecessárias, primordialmente as diferenças entre as duas concretizações da Figura 2a e da Figura 2b relacionadas para o controle de fluxo através do catalisador de oxidação (20) são apresentadas. Para iguais componentes e disposições, referência é feita para a descrição da Figura 1.
A válvula (30) da concretização da Figura 1 é substituída na Figura 2a e na Figura 2b por unidades controlando a velocidade espacial do gás de exaustão no catalisador de oxidação (20), tal como uma unidade de fechamento (28) acoplada ao catalisador de oxidação (20) . Por intermédio de exemplo, o catalisador de oxidação (20) pode ser formado como um monólito de um tipo de favo de mel com canais (24, 26) através dos quais a exaustão flui a partir da entrada de catalisador para a saída de catalisador. A unidade de fechamento (28) pode fechar ou abrir canais (26) no catalisador de oxidação (20) quando permutado entre suas posições de operação particulares. 0 número total dos canais (24, 26) disponíveis para o gás de exaustão no catalisador de oxidação (20) pode ser variado com a ajuda da unidade de fechamento (28) . Se os canais (26) são fechados pela unidade de fechamento (28) em uma primeira posição de operação (Figura 2a), o fluxo de gás de exaustão é forçado através dos canais (24), por conseqüência, diminuindo o volume de catalisador disponível para o gás de exaustão. Neste caso, somente uma pequena quantidade de NO2 é produzida. Se a unidade de fechamento (28) é permutada para uma outra posição de operação, os canais (24) e bem como os canais (26) são abertos. 0 gás de exaustão pode fluir através de todos os canais (24) e (26), proporcionando mais material de catalisador para oxidação do gás de exaustão e fornecendo uma saída de NO2 aumentada (Figura 2b).
A Figura 3 esquematicamente representa o catalisador de oxidação (20) ilustrado na Figura 2a e na Figura 2b. 0 catalisador de oxidação (20) compreende uma unidade de fechamento (28) que abrange uma multiplicidade de placas de articulação (28a) que podem ser inclinadas para abrir ou fechar os canais (26). Na Figura 3, as placas (28a) estão se movimentando a partir da posição aberta para a posição fechada, o que é indicado por flechas encurvadas em cada placa (28a).
Adicionalmente ou alternativamente, a unidade de fechamento (28) pode compreender uma ou mais aberturas perfuradas (não mostradas) com uma multiplicidade de aberturas que podem ser movimentadas longitudinalmente sobre a face frontal do catalisador de oxidação (20) . Favoravelmente, duas de tais aberturas com diferentes espaçamentos entre as aberturas, podem ser dispostas de uma maneira de sobreposição na face frontal do catalisador de oxidação (20) e movimentadas longitudinalmente relativamente umas para as outras, de maneira que em uma posição algumas das aberturas da primeira abertura se sobrepõem com aberturas das outras sobrepostas e outras aberturas das primeiras aberturas são fechadas pela outra abertura enquanto que em uma outra posição, mais ou todas as aberturas dão passagem para o gás de exaustão.
Adicionalmente ou alternativamente, a efetiva seção transversal dos canais individuais (24, 26) pode ser variada com a ajuda de uma unidade de fechamento (28) (não mostrada) como descrito anteriormente.
Adicionalmente (não mostrado), os canais (24) e (26) podem exibir, por exemplo, diferentes diâmetros e/ou serem fornecidos com diferente material catalítico e/ou equipados com diferentes densidades do material catalítico. É também possível proporcionar um gradiente de densidade do material catalítico nos canais (24) e/ou nos canais (26). 0 gradiente de densidade pode ser orientado em um ângulo reto para o fluxo de gás de exaustão a partir de uma lateral do catalisador de oxidação (20) para a outra lateral. Se uma unidade de fechamento (28) cobre uma parte dos canais (24) e/ou (26) do catalisador de oxidação (20) e a cobertura é removida, a mudança em reatividade catalítica é mais forte do que o aumento ou a diminuição em volume de canal.
Uma outra concretização da presente invenção (não mostrada) de uma unidade de fechamento (28) preferida é a de proporcionar uma placa movível da espécie de um diafragma de lente de câmera que varia a superfície efetiva do catalisador de oxidação (20) exposto para o gás de exaustão.
Uma outra concretização da presente invenção (não mostrada) de um catalisador de oxidação (20) preferido é a de proporcionar um projeto de entrada que distribui o gás de exaustão para a integridade de área em altas velocidades de gás de exaustão e concentrar o mesmo para o centro em baixas velocidades.
A unidade de fechamento (28) é acoplada para uma unidade de sensoriamento (40) que é proporcionada para sensoriamento da quantidade de NO2 contida na exaustão adentrando o catalisador de SCR (70) e recepção de sinais de controle a partir da unidade de controle (42) da unidade de sensoriamento (40) por intermédio de linhas de dados (46) . 0 sensor sensível ao NO2 (50) disposto na linha de exaustão (14) à jusante do filtro de particulado (60) é acoplado para a unidade de controle (42) por intermédio de linhas de dados (48). A unidade de fechamento (28) pode ser combinada com e/ou formada como guias de fluxo no catalisador de oxidação (20) .
Opcionalmente, a unidade de sensoriamento (40) pode compreender um dispositivo (44) que calcula a quantidade de NO2 adentrando o catalisador de SCR (70) dependendo de parâmetros de operação do motor (12) e/ou de parâmetros de operação de um ou mais catalisadores (20, 60, 70) dispostos no sistema de pós-tratamento de exaustão (10), por conseqüência, formando um sensor de NO2 virtual.
Particularmente, o sensor virtual pode ser parte de um programa de computador compreendendo um código de software adaptado para desempenhar um método de controle preferido ou para utilização em um método de controle em concordância com pelo menos uma das características descritas anteriormente quando referido programa está rodando em um microcomputador programável e pode particularmente ser "baixado" para uma unidade de suporte ou um de seus componentes quando rodando em um computador que está conectado para a internet.
Os métodos de controle preferidos e bem como os sistemas de pós-tratamento de exaustão preferidos exemplificados possibilitam controlar e particularmente minimizar as emissões de NO2 e N2O e bem como fuligem dentro de uma ampla área de trabalho de velocidade de carga de um motor com uma boa combustão de fuligem por NO2 sem a necessidade de adição de combustível adicional para os sistemas de pós-tratamento de exaustão para redução de emissões.
Geralmente, ambas as concretizações da presente invenção descritas anteriormente possibilitam para operação do sistema de pós-tratamento de gás de exaustão sob condições em tempo real. Isto é possível para a concretização relacionada para a linha de bypass (22) exemplificada na Figura Iea concretização relacionada para variação da velocidade espacial exemplificada na Figura 2a, na Figura 2b e na Figura 3.
Em concordância com uma concretização adicional favorável, a Figura 5 ilustra uma combinação de ambas as concretizações representadas na Figura 1, e na Figura 2a, na Figura 2b e na Figura 3, compreendendo um sistema de pós-tratamento de exaustão (10) preferido equipado com uma linha de bypass (22) que circunda o catalisador de oxidação (20) sendo disposto à montante de um filtro de particulado (60), em que o catalisador de oxidação (20) exibe uma velocidade espacial variável para controlar a criação de uma determinada mistura de gás de NO2ZNO requerida como entrada para o subseqüente catalisador de SCR (70). Para detalhes adicionais da disposição, referência é feita para as descrições da Figura 1, da Figura 2a, da Figura 2b e da Figura 3.
De maneira a otimizar o controle em tempo real da proporção NO2ZNO é também possível acoplar um compensador para a linha de bypass (22) (Figura 1, Figura 5). Situações particulares ou modos de motor de operação podem ocorrem onde determinadas quantidades do gás de exaustão produzido não podem ser processadas de uma boa maneira em concordância com a presente invenção, devido para o fato de que o volume de gás é excessivamente grande e/ou a composição da mistura de gás é excessivamente desbalanceada. Em tais situações, pode ser favorável armazenar determinadas quantidades do gás de exaustão de ■uma maneira controlada em um compensador intermediário conectado ou conectável para o sistema de gás de exaustão (10) à montante e/ou à jusante do catalisador de oxidação (20) . Este compensador poderia ou deveria ser utilizado de uma maneira ativa tanto para retirar volumes de gás de exaustão em excesso a partir do sistema de gás de exaustão, ou quanto para abater em volumes de gás de exaustão perdidos para o sistema de gás de exaustão, de maneira a otimizar a mistura de compostos necessários para estabilizar a proporção pretendida de mistura de gás de NO2ZNO ao longo de um período de tempo mais longo. Este compensador poderia ser um compensador fixado onde o gás de exaustão é usualmente armazenado sob pressão que é maior do que a operação de pressão (média) dentro do sistema de gás de exaustão (o compensador poderia ser conectado para uma bomba que coloca gás de exaustão no e para o compensador, e uma válvula que conduz gás para fora do compensador) . Alternativamente, um compensador com paredes flexíveis (como um balão) poderia ser utilizado.
Embora a presente invenção tenha sido descrita com referência para concretizações específicas, deverá ser observado por aqueles especializados no estado da técnica que a mesma não deve ser considerada como sendo limitada para estas concretizações exemplificativas e vantajosas descritas anteriormente, mas certamente, um número de mudanças, de variações e de modificações adicionais é conceptível sem se afastar do espírito e do escopo da presente invenção que é unicamente limitada pela proteção estabelecida nas reivindicações de patente posteriormente.

Claims (15)

1. Um método de controle para controle de uma proporção NOZNO2 em um sistema de pós-tratamento de exaustão (10) de um motor (12) em que um ou mais dos constituintes do gás de exaustão são oxidados em um catalisador de oxidação (20) e um ou mais constituintes do gás de exaustão são desoxidados por intermédio de um grupo de possíveis reações químicas de diferente tipo entre os um ou mais constituintes do gás de exaustão e material catalítico disposto em um catalisador de redução catalítica seletiva (70), em que o gás de exaustão flui a partir do catalisador de oxidação (20) para o catalisador de redução catalítica seletiva (70), caracterizado pelo fato de que compreende: a) controle do fluxo de gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) dependendo de pelo menos uma proporção desejada entre um ou mais pares dos um ou mais constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de redução catalítica seletiva (70) com a pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes; b) estabelecimento da pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes na entrada do catalisador de redução catalítica seletiva (70); c) seleção de uma temperatura de reação pré- determinada ou faixa de temperatura e estabelecimento da mesma no catalisador de redução catalítica seletiva (70) em que a probabilidade é aumentada em que uma reação química específica de referido grupo de possíveis diferentes reações químicas entre os um ou mais constituintes do gás de exaustão e o material de catalisador no catalisador de redução catalítica seletiva (70) irá acontecer por inserção do gás de exaustão para o catalisador de redução catalítica seletiva (70), em que referida probabilidade de reação para referida reação química específica selecionada é mais alta do que a probabilidade de reação para cada uma das outras reações químicas que não são selecionadas, em que: a proporção entre os um ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de fuligem que está contida em um filtro de particulado (60) disposto entre o catalisador de oxidação (20) e o catalisador de redução catalítica seletiva (70) e em que a proporção entre os um ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de NO2 que é gerada no filtro de particulado (60).
2. 0 método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que existe controle do fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) por divisão do fluxo em uma primeira porção fluindo através do catalisador de oxidação (20) e uma segunda porção fluindo através de uma linha de bypass (22) circundando o catalisador de oxidação (20).
3. O método de acordo com qualquer das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que existe controle do fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) por variação de uma velocidade espacial do gás de exaustão no catalisador de oxidação (20) .
4. O método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a proporção entre os um ou mais constituintes é uma proporção de NO2ZNO próxima de 1 e preferivelmente não excedendo 1, particularmente uma proporção de NO2ZNO = 0,8 ± 0,2, preferivelmente NO2ZNO = 0,9 ± 0,1, o mais preferivelmente NO2ZNO = 0,951 ± 0,05.
5. 0 método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a proporção entre os vim ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de NO2 que é gerada no catalisador de oxidação (20) .
6. 0 método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a proporção entre os um ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de enxofre que é adsorvida no catalisador de oxidação (20).
7. 0 método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a proporção entre os um ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de amônia que é proporcionada no catalisador de redução catalítica seletiva (70).
8. O método de acordo com uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que a proporção de gás de exaustão que é alimentado para a linha de bypass (22) e gás de exaustão que é alimentado para o catalisador de oxidação (20) é calculada dependendo dos parâmetros de operação do motor (12) e/ou dos parâmetros de operação dos um ou mais catalisadores (20, 60, 70) dispostos no sistema de pós-tratamento de exaustão (10).
9. Um sistema de pós-tratamento de exaustão para controle de uma proporção NOZNO2 na exaustão compreendendo pelo menos um catalisador de oxidação (20) e um catalisador de redução catalítica seletiva (70) dispostos em uma linha de exaustão (14) de um motor (12) , que é operado com um método conforme definido em qualquer uma das reivindicações precedentes, caracterizado pelo fato de que: o fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) é controlável dependendo de pelo menos uma proporção desejada entre um ou mais pares dos um ou mais constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de redução catalítica seletiva (70) com a pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes; a pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes na entrada do catalisador de redução catalítica seletiva (70) é estabelecida; uma temperatura de reação pré-determinada ou faixa de temperatura é selecionável e é estabelecida no catalisador de redução catalítica seletiva (70) em que a probabilidade em que uma reação química específica de referido grupo de possíveis diferentes reações químicas entre os um ou mais constituintes do gás de exaustão e o material de catalisador no catalisador de redução catalítica seletiva (70) irá acontecer é aumentada por inserção do gás de exaustão aumentada para o catalisador de redução catalítica seletiva (70), em que referida probabilidade de reação para referida reação química específica selecionada é mais alta do que a probabilidade de reação para cada uma das outras reações químicas que não são selecionadas; em que um filtro de particulado (60) é disposto dentre o catalisador de oxidação (20) e o catalisador de redução catalítica seletiva (70).
10. 0 sistema de exaustão de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que uma válvula (30) é proporcionada para controle do fluxo do gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) e através de uma linha de bypass (22) circundando o catalisador de oxidação (20) dependendo de uma proporção desejada entre membros dos constituintes.
11. O sistema de exaustão de acordo com qualquer das reivindicações 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que uma ou mais unidades de fechamento (28) são proporcionadas para controle de uma velocidade espacial do gás de exaustão no catalisador de oxidação (20) .
12. 0 sistema de exaustão de acordo com uma das reivindicações 9 até 11, caracterizado pelo fato de que uma unidade de sensoriamento (40) é proporcionada para sensoriamento da quantidade de NO2 contida na exaustão adentrando o catalisador de redução catalítica seletiva (70) .
13. O sistema de exaustão de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que a unidade de sensoriamento (40) compreende um sensor sensível ao NO2 (50) disposto na linha de exaustão (14) à jusante do filtro de particulado (60).
14. 0 sistema de exaustão de acordo com as reivindicações 12 ou 13, caracterizado pelo fato de que a unidade de sensoriamento (40) compreende um dispositivo (44) que proporciona um sensor virtual por cálculo da quantidade de NO2 adentrando o catalisador de redução catalítica seletiva (70) dependendo de parâmetros de operação do motor (12) e/ou de parâmetros de operação dos um ou mais catalisadores (20, 60, 70) dispostos no sistema de pós-tratamento de exaustão (10).
15. Um programa de computador armazenável em um meio (mídia) de leitura por computador, caracterizado pelo fato de que compreende um código de programa para utilização em um método compreendendo pelo menos as etapas de: a) controle do fluxo de gás de exaustão através do catalisador de oxidação (20) dependendo de pelo menos uma proporção desejada entre um ou mais pares dos um ou mais constituintes, em que o gás de exaustão adentra o catalisador de redução catalítica seletiva (70) com a pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes; b) estabelecimento âa pelo menos uma proporção desejada entre os um ou mais pares dos um ou mais constituintes na entrada do catalisador de redução catalítica seletiva (70); c) seleção de uma temperatura de reação pré- determinada ou faixa de temperatura e estabelecimento da mesma no catalisador de redução catalítica seletiva (70) em que a probabilidade é aumentada em que uma reação química específica de referido grupo de possíveis diferentes reações químicas entre os um ou mais constituintes do gás de exaustão e o material de catalisador no catalisador de redução catalítica seletiva (70) irá acontecer por inserção do gás de exaustão para o catalisador de redução catalítica seletiva (70), em que referida probabilidade de reação para referida reação química específica selecionada é mais alta do que a probabilidade de reação para cada uma das outras reações químicas que não são selecionadas, em que a proporção entre os um ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de fuligem que está contida em um filtro de particulado (60) disposto entre o catalisador de oxidação (20) e o catalisador de redução catalítica seletiva (70) e em que a proporção entre os um ou mais constituintes é estabelecida dependendo da quantidade de NO2 que é gerada no filtro de particulado (60) .
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