BRPI1003072A2

BRPI1003072A2 - revestimento parcial de metais do grupo da platina em filtro para limite de massa de fuligem aumentado e custos reduzidos

Info

Publication number: BRPI1003072A2
Application number: BRPI1003072-7A
Authority: BR
Inventors: Brad J Adelman; Vadim Strots; Shyam Santhanam
Original assignee: Int Engine Ip Llc
Priority date: 2009-08-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2012-04-24
Also published as: US20110047992A1; CN101994547A; JP2011047405A; EP2290203A1

Abstract

REVESTIMENTO PARCIAL DE METAIS DO GRUPO DA PLATINA EM FILTRO PARA LIMITE DE MASSA DE FULIGEM AUMENTADO E CUSTOS REDUZIDOS. A presente invenção refere-se a um filtro de partículas de diesel que tem uma faixa estreita de material filtrante com revestimento fino na entrada do lado a montante ou na saída do lado a jusante. O revestimento fino é com metais do grupo da platina (PGM), por exemplo, Pt e Pd, acrescentados à superfície e estrutura de poros de um DPF. O DPF deve fornecer distância comparável ou melhorada entre regeneração ativa e/ou deve impedir deslizamento de HC/CO durante regeneração ativa de DPF.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "REVESTI- MENTO PARCIAL DE METAIS DO GRUPO DA PLATINA EM FILTRO PA- RA LIMITE DE MASSA DE FULIGEM AUMENTADO E CUSTOS REDUZI- DOS".

Campo da Invenção

A presente invenção refere-se de uma maneira geral a veículos motorizados, tais como caminhões, que são impulsionados por motores de combustão interna, particularmente motores a diesel que têm dispositivos de tratamento de gás de exaustão para tratar gases de exaustão atravessando seus sistemas de exaustão.

Antecedentes da Invenção

Um sistema conhecido para tratar gás de exaustão atravessando um sistema de exaustão de um motor a diesel compreende um catalisador de oxidação de diesel (DOC) que oxida hidrocarbonetos (HC) a CO2 e H2O e converte NO em NO2, e um filtro de partículas de diesel (DPF) que retém matéria particulada de diesel (DPM). DPM inclui fuligem ou carbono, a fração orgânica solúvel (SOF), e cinza (isto é, aditivos de óleo lubrificante, etc.). O DPF é localizado a jusante do DOC no fluxo de gás de exaustão. A combi- nação destes dois dispositivos de tratamento de gás de exaustão impede quantidades significativas de poluentes, tais como hidrocarbonetos, monóxi- do de carbono, fuligem, SOF e cinza, de entrar na atmosfera. A retenção de DPM pelo DPF impede que fumaça preta seja emitida de um cano de des- carga do veículo.

O DOC oxida hidrocarbonetos (HC) e converte NO em NO2. Os constituintes orgânicos de DPM retida dentro do DPF, isto é, carbono e SOF, são oxidados dentro do DPF, usando o NO2 gerado pelo DOC, para formar CO2 e H2O, os quais podem então sair do cano de descarga para a atmosfe- ra.

A taxa na qual carbono retido é oxidado a CO2 é controlada não somente pela concentração de NO2 ou O2, mas também pela temperatura. Especificamente, existem três parâmetros de temperatura importantes para um DPF. O primeiro parâmetro de temperatura é a temperatura "light off' do catalisador de oxidação, abaixo da qual a atividade de catalisador é muito baixa para oxidar HC. A temperatura "light off' tipicamente é de cerca de 180 a 200°C.

O segundo parâmetro de temperatura controla a conversão de

NO em NO2. Esta temperatura de conversão de NO se situa em uma faixa de temperaturas tendo tanto um limite inferior quanto um limite superior, os quais são definidos como a temperatura mínima e a temperatura máxima nas quais 40% ou mais de conversão de NO é alcançada. A janela de tem- peratura de conversão definida pelos dois limites se estende de aproxima- damente 250°C a aproximadamente 450°C.

O terceiro parâmetro de temperatura está relacionado com a ta- xa na qual carbono é oxidado no filtro. Fontes de referência na literatura per- tinente chamam essa temperatura de "Temperatura de Ponto de Equilíbrio" (ou BPT). É a temperatura na qual a taxa de oxidação de particulado, tam- bém algumas vezes referida como a taxa de regeneração DPF1 é igual à ta- xa de acúmulo de particulado. A BPT é um dos parâmetros que determina a capacidade de um DPF para capacitar um motor a diesel para satisfazer leis e/ou regulações de emissões de cano de descarga esperadas.

Tipicamente, um motor a diesel funciona relativamente improdu- tivo e relativamente frio quando comparado a um motor à gasolina. Esse fa- tor torna realização natural de BPT problemática.

Portanto, um DPF exige ocasionalmente regeneração a fim de manter eficiência de retenção de particulados. Regeneração envolve a pre- sença de condições que queimarão particulados retidos cujo acúmulo não verificado de outro modo prejudicaria a efetividade do DPF. Embora "regene- ração" se refira ao processo geral de queimar DPM, dois tipos particulares de regeneração são reconhecidos pelos familiarizados com a tecnologia de regeneração tal como sendo atualmente aplicada aos motores de veículos.

"Regeneração passiva" de uma maneira geral é entendida como significando regeneração que pode ocorrer a qualquer hora que o motor es- tiver operando sob condições que queimam DPM sem iniciar uma estratégia de regeneração específica incorporada por algoritmos em um sistema de controle de motor. "Regeneração ativa" de uma maneira geral é entendida como significando regeneração que é iniciada intencionalmente, pelo siste- ma de controle de motor por sua própria iniciativa ou pelo motorista induzin- do o sistema de controle de motor para iniciar uma estratégia de regenera- ção programada, com o objetivo de elevar temperatura de gases de exaus- tão entrando no DPF para uma faixa adequada para iniciar e manter queima de particulados retidos.

Regeneração ativa pode ser iniciada mesmo antes de um DPF se tornar carregado com DPM para uma extensão onde regeneração seria ordenada pelo sistema de controle de motor por si mesmo. Quando carre- gamento de DPM além da extensão é indicado para o sistema de controle de motor, o sistema de controle força regeneração ativa, e que algumas vezes é referida simplesmente como uma regeneração forçada.

A criação de condições para iniciar e continuar regeneração ati- va, se forçada ou não, de uma maneira geral envolve elevar a temperatura de gás de exaustão entrando no DPF para uma temperatura adequadamen- te alta.

Existem diversos métodos para iniciar uma regeneração forçada de um DPF, tais como retardar o início de injeções de combustível principal ou injeção posterior de diesel combustível para elevar temperaturas de gás de exaustão entrando no DPF enquanto ainda deixando oxigênio em exces- so para queimar a matéria particulada retida. Injeção posterior pode ser usa- da em conjunto com outros procedimentos e/ou dispositivos para elevar temperatura de gás de exaustão para as temperaturas relativamente altas necessárias para regeneração ativa de DPF.

Estes métodos são capazes de aumentar a temperatura de gás de exaustão suficientemente para elevar a temperatura do catalisador para acima da temperatura "light ofF' de catalisador e fornecer HC em excesso que pode ser oxidado pelo catalisador. Tal oxidação de HC fornece o calor necessário para elevar a temperatura no DPF para acima da BPT.

Entretanto, durante tal curta operação rica, o gás de exaustão é enriquecido com hidrocarbonetos (HC) e monóxido de carbono (CO) en- quanto que a concentração de oxigênio no gás de exaustão é esgotada drasticamente.

A quantidade de HC e CO gerados pelo motor durante a opera- ção rica tipicamente excede a quantidade estequiométrica de NOx que é para ser reduzida através do catalisador. Este excesso de redutor, enquanto que necessário para altas eficiências de redução de NOx1 resulta em pene- trações de HC e CO na saída de DOC ("deslizamento de HC/CO"), em que o deslizamento de HC/CO não pode ser oxidado a CO2 e H2O.

DPF revestido tradicional têm um revestimento fino por todo o fil- tro para impedir deslizamento de HC/CO e aumento de emissões. Entretan- to, um DPF revestido tem um menor limite de massa de fuligem para impedir desativação do catalisador a partir de altas temperaturas de leito geradas durante regeneração ativa.

DPFs não revestidos são usados em conjunto com um DOC e operados em um modo passivo (nenhuma regeneração ativa de filtro) ou se usados com uma regeneração ativa têm então uma taxa reduzida de regene- ração passiva quando comparado a um filtro revestido ou têm um risco au- mentado de deslizamento de HC/CO. O tempo transcorrido entre regenera- ção ativa de filtro é reduzido como resultado da menor taxa de oxidação de fuligem passiva.

Sumário

As modalidades descritas da invenção fornecem um DPF que tem uma estreita faixa de material filtrante com revestimento fino na entrada do lado a montante ou na saída do lado a jusante. O revestimento fino é com metais do grupo da platina (PGM), por exemplo, Pt e Pd, acrescentados à superfície e estrutura de poros de um DPF. O PDF deve fornecer distância comparável ou melhorada entre regeneração ativa e/ou deve impedir desli- zamento de HC/CO durante regeneração ativa de DPF. As modalidades da invenção também devem reduzir o custo do sistema de tratamento posterior ao minimizar o PGM aplicado ao filtro. O sistema de tratamento posterior deve operar e funcionar da mesma maneira que um DPF inteiramente reves- tido enquanto o intervalo entre regeneração ativa pode ser aumentado ou alternativamente o tamanho do filtro pode ser reduzido.

De acordo com uma primeira modalidade, um revestimento de metais do grupo da platina (PGM), por exemplo, Pt e Pd, é aplicado à super- fície e estrutura de poros de uma faixa relativamente estreita do meio filtran- te dentro de uma parte de entrada do meio filtrante de DPF no lado a mon- tante. Por causa da presença do revestimento, NO2 adicional pode ser assim formado e, portanto, aumentar a taxa de regeneração passiva. Além disso, uma vez que o revestimento está somente em uma parte dianteira do filtro, ele será capaz de queimar qualquer deslizamento de HC/CO do DOC duran- te regeneração ativa enquanto não sendo exposto à ação exotérmica da queima do deslizamento de HC/CO acoplada com a queima da fuligem acu- mulada no filtro. É conhecido que a elevação de temperatura dentro do DPF é maior na direção da traseira do DPF tal como o oposto para frente. Esta ação exotérmica se torna pronunciada em situações onde regeneração te- nha sido iniciada, mas então é rapidamente interrompida (por exemplo, que- da para marcha lenta). Ao ter o revestimento somente na frente do filtro, será possível minimizar deslizamento de HC/CO, manter regeneração passiva e aumentar o limite de massa de fuligem do filtro.

De acordo com uma segunda modalidade, um revestimento de metais do grupo da platina (PGM), por exemplo, Pt e Pd, é aplicado à super- fície e estrutura de poros de uma faixa relativamente estreita de meio filtran- te dentro de uma parte de saída do meio filtrante de DPF no lado a jusante. Embora isto não aumente a taxa de regeneração passiva a não ser essa do DOC, isto permitirá mitigação de deslizamento de HC/CO durante regenera- ção ativa. Uma vez que o revestimento fica no lado a jusante, HC/CO estará em contato com um catalisador mesmo se ele atravessar a parede de filtro na direção da entrada. Também, uma vez que o revestimento não ficará em contato direto com fuligem, não haverá qualquer queima de fuligem acelera- da durante condições tais como queda para marcha lenta. Isto por sua vez minimizará a temperatura de leito de pico e impedirá rachadura de anel, furo ou fusão que pode ocorrer se o revestimento estiver no lado a montante e em contato com a fuligem. Embora esta configuração fique exposta a maio- res temperaturas de pico do que se o revestimento estivesse colocado na entrada do DPF no lado a montante, o impacto não será tal como pronuncia- do uma vez que esta configuração não está contando com o revestimento para executar, aprimorar ou promover regeneração passiva. A função do revestimento fino nesta configuração é queimar qualquer deslizamento de HC/CO durante regeneração ativa.

Inúmeras outras vantagens e recursos da presente invenção se tornarão prontamente aparentes a partir da descrição detalhada a seguir da invenção e das modalidades da mesma, das reivindicações e dos desenhos anexos.

Breve Descrição dos Desenhos

A figura 1 é uma ilustração esquemática de um motor a diesel representativo e controle com um dispositivo de tratamento posterior de e- xaustão;

a figura 2 é uma vista seccional esquemática de uma primeira modalidade de DPF da invenção; e

a figura 3 é uma vista seccional esquemática de uma segunda modalidade de DPF da invenção.

Descrição Detalhada

Embora esta invenção seja suscetível de modalidade em muitas formas diferentes, são mostradas nos desenhos, e serão descritas detalha- damente neste documento, modalidades específicas da mesma com o en- tendimento de que a presente revelação é para ser considerada como uma exemplificação dos princípios da invenção e não é pretendida para limitar a invenção às modalidades específicas ilustradas.

A figura 1 mostra um diagrama esquemático de um motor a die- sel exemplar 20 para impulsionar um veículo motorizado. O motor 20 tem um sistema de controle de motor baseado em processador 22 que processa da- dos provenientes de várias fontes para desenvolver vários dados de controle para controlar vários aspectos de operação de motor. Os dados processados pelo sistema de controle 22 podem originar de fontes externas, tais como sensores, e/ou serem gerados internamente.

O sistema de controle 22 inclui um módulo acionador de injetor 24 para controlar a operação dos injetores de combustível acionados eletri- camente 26 que injetam combustível para dentro de câmaras de combustão no bloco de cilindros de motor 28. Um respectivo injetor de combustível 26 é associado com cada cilindro e compreende um corpo que é montado no mo- tor e tem um bico através do qual combustível é injetado para dentro do ci- lindro de motor correspondente. Um processador do sistema de controle de motor 22 pode processar dados de forma suficientemente rápida para calcu- lar, em tempo real, o sincronismo e duração do acionamento de injetor para estabelecer tanto o sincronismo quanto a quantidade de abastecimento.

O motor 20 compreende adicionalmente um sistema de admis- são tendo um coletor de admissão 30 montado no bloco 28. Um resfriador intermediário 32 e um compressor 34 de um turbocompressor 36 estão a montante do coletor 30. O compressor 34 puxa ar através do resfriador in- termediário 32 para criar ar de carregamento que entra em cada cilindro de motor pelo coletor 30 através de uma válvula de admissão correspondente que abre e fecha em momentos apropriados durante ciclos de motor.

O motor 20 também compreende um sistema de exaustão atra- vés do qual gases de exaustão criados pela combustão dentro dos cilindros de motor podem passar do motor para a atmosfera. O sistema de exaustão compreende um coletor de exaustão 38 montado no bloco 28. Gases de e- xaustão passam de cada cilindro para dentro do coletor 38 através de uma respectiva válvula de exaustão que abre e fecha em momentos apropriados durante ciclos de motor.

Turbocompressão do motor 20 é realizada pelo turbocompressor 36 que compreende adicionalmente uma turbina 40 associada com o siste- ma de exaustão e acoplada por meio de um eixo ao compressor 34. Gases quentes de exaustão agindo na turbina 40 induzem a turbina para operar o compressor 34 para desenvolver o ar de carregamento que fornece elevação para o motor 20.

O sistema de exaustão compreende adicionalmente um DOC 41 e ο DPF 42 a jusante da turbina 40 para tratar gás de exaustão antes de passar para a atmosfera através de um cano de descarga 44. Embora o DOC 41 e o DPF 42 sejam mostrados como componentes separados, tam- bém é possível que o DOC 41 e o DPF 42 compartilhem um alojamento co- mum.

O DPF 42 retém fisicamente uma alta porcentagem de DPM do gás de exaustão que o atravessa, impedindo a DPM retida de passar para a atmosfera. O catalisador de oxidação 46 dentro do DOC 41 oxida hidrocar- bonetos (HC) no gás de exaustão de entrada em CO2 e H2O e converte NO em NO2. O NO2 é então usado para reduzir os particulados de carbono reti- dos no DPF 42.

Com referência à regeneração passiva e ativa tal como mencio- nado anteriormente, a Patente U.S. 6.829.890 e os Pedidos de Patente Pu- blicados U.S. 2008/0184696 e 2008/0093153 descrevem sistemas e méto- dos para empreender regeneração. Estas patentes e publicações estão in- corporadas neste documento pela referência.

Uma primeira modalidade de DPF 42 é mostrada na figura 2. O DPF inclui um alojamento 47 tendo uma entrada 48 e uma saída 49 e con- tendo um meio filtrante ou material filtrante por todo ele. O meio filtrante é composto de (mas não se limitando a isto) cordierita, carboneto de silício, titanato de alumínio, mulita ou outro material cerâmico poroso, ou fibras de metal ou cerâmicas trançadas.

Materiais cerâmicos ou refratários para filtros de partículas de diesel são descritos nas patentes U.S. 6.942.708, 4.510.265 e 4.758.272, incorporadas neste documento pela referência.

Um revestimento fino 54 de metais do grupo da platina (PGM), por exemplo, Pt e Pd, é aplicada à superfície e estrutura de poros de uma faixa relativamente estreita 55 do meio filtrante 50 dentro de uma parte de entrada do meio filtrante de DPF no lado a montante do DPF 42. A faixa rela- tivamente estreita 55 pode ser de até cerca de 25% do comprimento do meio 50.

Por causa da presença do PGM, NO2 adicional pode ser assim formado e, portanto, pode aumentar a taxa de regeneração passiva dentro do DPF 42. Além disso, uma vez que o revestimento 54 está somente em uma parte dianteira do DPF 42, ele será capaz de queimar qualquer desli- zamento de HC/CO do DOC durante regeneração ativa enquanto não sendo exposto à ação exotérmica de queimar o deslizamento de HC/CO acoplado com a queima da fuligem acumulada no filtro. É conhecido que a elevação de temperatura dentro do DPF é maior na direção da traseira do DPF tal como o oposto para frente. Esta ação exotérmica se torna pronunciada em situações onde regeneração tenha sido iniciada, mas então é interrompida rapidamente (por exemplo, queda para marcha lenta). Ao ter o revestimento somente na frente do filtro, será possível minimizar deslizamento de HC/CO, manter regeneração passiva e aumentar o limite de massa de fuligem do filtro.

A temperatura de leito máxima deve ser limitada de maneira que o PGM não sinterize excessivamente. Também, a interação entre o revesti- mento fino e material filtrante pode resultar em menor tolerância para even- tos térmicos (temperatura de leito de pico, gradiente térmico axial/radial). A fim de impedir excessiva sinterização de PGM ou falha de filtro induzida pela interação entre o revestimento fino e o material filtrante, o limite de massa de fuligem (SML) pode ser abaixado de maneira que um evento de regeneração ativa de DPF seja comandado mais freqüentemente para volume equivalente de filtro.

Uma segunda modalidade de DPF 42a é mostrada na figura 3. Um revestimento fino 64 de metais do grupo da platina (PGM), por exemplo, Pt e Pd, é aplicada à superfície e estrutura de poros de uma faixa relativa- mente estreita 65 do meio filtrante 50 dentro de uma parte de saída do meio filtrante de DPF no lado a jusante do DPF 42. A faixa relativamente estreita 55 pode ser de até cerca de 25% do comprimento do meio 50. Embora isto não aumente a taxa de regeneração passiva em relação àquela gerada pelo DOC, isto permitirá mitigação de deslizamento de HC/CO durante regenera- ção ativa. Uma vez que o revestimento fica no lado a jusante, HC/CO estará em contato com um catalisador mesmo se ele atravessar o filtro. Também, uma vez que o revestimento 64 não ficará em contato direto com fuligem, não haverá qualquer queima de fuligem acelerada duran- te condições tais como queda para marcha lenta. Isto por sua vez deve mi- nimizar a temperatura de leito de pico e impedir rachadura de anel, furo ou fusão. Embora o revestimento desta modalidade fique exposto a maiores temperaturas de pico do que se o revestimento estivesse colocado na entra- da do DPF no lado a montante, isto não deve ser prejudicial uma vez que este revestimento não é pretendido para executar, aprimorar ou promover regeneração passiva. A função do revestimento fino nesta configuração é queimar qualquer deslizamento de HC/CO durante regeneração ativa.

Pelo exposto, será observado que inúmeras variações e modifi- cações podem ser efetuadas sem divergir do espírito e escopo da invenção. É para ser entendido que nenhuma limitação com relação ao aparelho espe- cífico ilustrado neste documento é pretendida ou deve ser inferida.

Claims

1. Filtro de partículas de diesel, compreendendo: um alojamento tendo uma entrada e uma saída e contendo no mesmo um material filtrante de partículas de diesel em que uma faixa do dito material filtrante inclui um revestimento fino com metais do grupo da platina acrescentados à superfície e estrutura de poros do material filtrante.

2. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 1, em que a dita faixa é localizada adjacente à dita entrada.

3. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 1, em que a dita faixa é localizada adjacente à dita saída.

4. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 1, em que os ditos metais do grupo da platina compreendem pelo menos um metal selecionado de Pt e Pd.

5. Sistema de tratamento posterior de gás de exaustão para um motor a diesel, compreendendo: uma contenção definindo um caminho de fluxo para gás de e- xaustão; uma unidade de catalisador de oxidação de diesel arranjada no caminho de fluxo; uma unidade de filtro de partículas de diesel arranjada no cami- nho de fluxo a jusante da unidade de oxidação de diesel, em que o filtro de partículas de diesel compreende um alojamento tendo uma entrada e uma saída e contendo no mesmo um material filtrante de partículas de diesel em que uma faixa do dito material filtrante inclui um revestimento fino com me- tais do grupo da platina acrescentados à superfície e estrutura de poros do filtro.

6. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 5, em que a dita faixa é localizada adjacente à dita entrada.

7. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 6, em que os ditos metais do grupo da platina compreendem pelo menos um metal selecionado de Pt e Pd.

8. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 5, em que a dita faixa é localizada adjacente à dita saída.

9. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação 8, em que os ditos metais do grupo da platina compreendem pelo menos um metal selecionado de Pt e Pd.

10. Filtro de partículas de diesel de acordo com a reivindicação -5, em que os ditos metais do grupo da platina compreendem pelo menos um metal selecionado de Pt e Pd.